T RK HIZLANDIRICI MERKEZI KIZIL TESI SERBEST ELEKTRON LAZERININ UYGULAMA ALANLARI VE AR-GE POTANSIYELI

1. 1 TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZI KIZILÖTESI SERBEST ELEKTRON LAZERININ UYGULAMA ALANLARI VE AR-GE POTANSIYELI M. TURAL, Ö. KARSLI, Y. CENGER, Ç. KAYA, S. TEKIN, Ö. YAVAS Ankara Üniversitesi

2. 2 IÇERIK Giris THM IR- SEL SEL’ in Avantajlari IR-SEL’ in Biyomedikal Uygulamalari IR-SEL’ in Fotokimya Uygulamalari IR-SEL’ in Malzeme ve Nanoteknoloji Uygulamalari IR- SEL’ in Savunma Sanayii Uygulamalari Dünyadan Örnek Laboratuarlar

3. 3 Giris

4. 4 Türk Hizlandirici Merkezi Kizilötesi Serbest Elektron Merkezi

5. 5 Türk Hizlandirici Merkezi Kizilötesi Serbest Elektron Merkezi

6. 6 Türk Hizlandirici Merkezi Kizilötesi Serbest Elektron Merkezi

7. 7 Türk Hizlandirici Merkezi Kizilötesi Serbest Elektron Merkezi

8. 8 IR- SEL’ in Avantajlari Ayarlanabilir dalgaboyu Genis dalgaboyu araligi: yakin IR’ den uzak IR bölgesine kadar Tekrarlanabilir kisa atmalar: ps mertebesinde Ortalama parlakligi: 10 16 Yüksek pik gücü: MW mertebesinde Ortalama güç: ~W

9. 9 Biyoteknoloji ve Biyomedikal Foto-termal etkilerle dokularin kesilmesi, foto-mekanik etkilerle sert dokularin kaldirilmasi (6.45 µm),

10. 10 Biyoteknoloji ve Biyomedikal

11. 11 Biyoteknoloji ve Biyomedikal Beyin tümörü tedavisi (6.45 µm),

12. 12 Biyoteknoloji ve Biyomedikal Seçilen bölgeden kolesterolün temizlenmesi (5.75 µm)

13. 13 Biyoteknoloji ve Biyomedikal Dis minesinin yeniden mineralize edilmesi veya disin taç bölgesinin açiga çikarilmasi (10 µm), Dis üzerinde seçilen bölgeden fosforik asid iyonlarinin temizlenmesi (9,4 µm),

14. 14 Biyoteknoloji ve Biyomedikal “Matrix-Assisted Laser Desorption- Ionization Mass Spectroscopy” (MALDI-MS) teknigi ile büyük moleküllerin karakterizasyonu (protein molekülleri, 2,94 µm, IR-MALDI), Biyolojik örneklerdeki isinlama etkilerinin çalisilmasi (3-16 µm),

15. 15 Fotokimya “Sum Frequency Generation” (SFG) teknigi ile yüzeyler üzerindeki isinimi soguran türlerin spektroskopisinin incelenmesi. Yani SFG yüzeye katkilanan türlerin spektroskopisini inceleyen bir tekniktir Örnegin 5-µm dalgaboyu ile metanol içerisindeki platinin (Pt) yüzey ölçümü yapilmaktdir.

16. 16 Fotokimya Toplam-Frekans Jenerasyonu (SFG); Farkli renkte yani farkli frekanslarda iki lazer demeti kullanilarak iki demet kristalde uygun boslugun içinde üst üste bindirilir. Kristalin içinden geçtikten sonra, frekansi gelen isinlarin frekanslarinin toplami olan üçüncü renk elde edilir.

17. 17 Fotokimya SFG yöntemi ile kimyasal yapilar, malzemenin yapi analizi, yüzey çalismalari yapilmaktadir. Yüzey çalismalari için dalga boyu araligi 2,5-10 µm Malzeme çalismalari için 9 – 55 µm FEL’ in avantaji; ayarlanabilir dalga boyu ve yüksek pik gücü

18. 18 Fotokimya Moleküllerdeki titresimsel enerji transferlerinin incelenmesi çalismalari (3-90 µm), “Selected Mode Chemistry” çalismalari (Örnegin formik asit ve nitromethane’in izotop seçici multifoton ayrisiminin gözlemlenmesi) (3-90 µm),

19. 19 Malzeme ve Nanoteknoloji

20. 20 Malzeme ve Nanoteknoloji Devrelerde iletkenligin artirilmasi Lazerlerle çok daha ince bakir plaketlere çok daha ince elektriksel yollar açilmasi mümkündür.

21. 21 Malzeme ve Nanoteknoloji Pump-probe teknigi ile dar bant genislikli yariiletkenler üzerindeki koherent geçis etkilerinin artisinin gözlenmesi, Michelson interferometresi kullanilarak demet iki atmaya ayrilir. Pek çok deneyde iki atma da ayni lazerden elde edilir ve yogunluklari hariç es karakteristiklere sahiptir.

22. 22 Malzeme ve Nanoteknoloji Pompa atmasi örnekte fiziksel yada kimyasal degisiklikler olusturur. Amaç durulma süreçlerini ölçmektir. Sonda atmalari durulma süreçlerinin görüntülenmesini saglar. Durulan örnek zaman bagimli sogurma yada yansima gösterir. Pompa ve sonda için FEL mikro pulslar Sonda için Ti:sapphire lazer, pompa için FEL Pompa ve sonda için Ti:sapphire lazer

23. 23 Malzeme ve Nanoteknoloji SEL- PAS (Foto Akustik Spektroskopi) ile yariiletken arastirmalari (5-22 ?m), IR-SEL’ in foto-akustik sürece uygulanmasi SEL-PAS olarak bilinir. Hedef molekülün spektral dalga boyu ile üst üste binen bir module lazer demetinin sogurulmasi ile hedef molekül uyarilir. Uyarilan molekülün sogurulmus isinim enerjisi çarpismalarla modulasyon frekansinda periyodik lokal isinmaya dönüstürülür. Bu sekilde olusturulan akustik dalgalar bir mikrofon ile gözlemlenir.

24. 24 Malzeme ve Nanoteknoloji

25. 25 Malzeme ve Nanoteknoloji Yariiletkenlerdeki nokta kusurlarin ve safsizliklarin, nanokristallerdeki homojen olmayan dagilimlarin , sivilardaki dinamik degisimlerin yapisinin ölçülmesi, kismen düzensiz katilarda (homojen olmayan yayilmis moleküler komplekslerde) dinamik yapilarin belirlenmesi uygulanabilir. Bu çalismalar Foton yansima deneyleri olarak adlandirilir.

26. 26 Malzeme ve Nanoteknoloji

27. 27 Savunma Sanayiindeki Uygulamalari Gemilere yerlestirilecek sistemler ile roket ve uçaklara karsi çok etkili ve sinirsiz cephaneli bir savunma imkani olusturulabilir. Gerekli düzenlemeler ile tek bir SEL kaynagi kullanan bir geminin farkli noktalarina optik sistemlerle isima tasinabilecek ve SEL üreteci geminin zirhli bölgesinde koruma altinda, zarar görmeden çalismasina devam edebilecektir.

28. 28 Çesitli patlayici moleküllerin dönümsel ve titresimsel spektral bölgesi THz frekans bandinda (3-300 /cm, or 100 GHz to 10 THz) yer alir. Zamana bagli THz spektroskopisi farkli maddelerin örgü titresiminden yararlanarak tespit edilmelerini saglar. THz dalgalarin giysi, plastik, tahta, kum ve toprak içerinde hatiri sayilir bir ilerleme derinligi vardir. Patlayicilarin kendi etraflarini saran malzemeye göre ayirtedici THz spektral farkliliklari oldugundan, THz teknolojisi paketlenmis yada gömülmüs patlayicilarin tespit edilmesinde kullanilabilir.

29. 29 Savunma Sanayiindeki Uygulamalari

30. 30 Savunma Sanayiindeki Uygulamalari SEL kullanarak üretilebilecek seramik bilesenler ile minyatür uydular yapilabilir. Bu uydularla askeri oldugu kadar sivil iletisimde de yeni bir çagin baslayacagi kesindir. Tek bir roket ile onlarca uyduyu yörüngeye yerlestirmek mümkün olacaktir. Böylece iletisim maliyetlerinde büyük düsmeler saglanacak ve yasam kalitesi yükselecektir.

31. 31 Savunma Sanayiindeki Uygulamalari Çok yüksek çözünürlüklerde radarlara göre es zamanli sayilabilecek hizda görüntü elde etme mümkün olabilir. Üslere veya havaalanlarina yerlestirilen lazerler ile 15 km yariçapa sahip bir yarimküreye girecek roketler pesi sira imha edilebilir. Gerekli güç bu lazerler ile saglanabilir.

32. 32 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar ÖrnekleriCLIO (Fransa)

33. 33 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar ÖrnekleriCLIO (Fransa)

34. 34 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar ÖrnekleriCLIO (Fransa) Toplam frekans olusumu deneyleri (SFG): Yüzey fizigi çalisilmaktadir. CLIO ile eszamanli atmalar yayan lazerler kullaniliyor.

35. 35 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar ÖrnekleriCLIO (Fransa) 1992’den beri CLIO’ da uygulanan projelerin dagilimina bakacak olursak; 30 % SFG ile yüzey çalismalari, 22 % SFG ile elektrokimya çalismalari, 22 % matris formundaki moleküllerin arastirilmasi, 12 % yariiletken ve kuantum yapilari, 7 % yakin alan kizilötesi mikroskopisi, 3,5 % yüzey fotoyayinimi, 3,5 % eczacilik çalismalari görülmektedir.

36. 36 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri ELBE (Almanya) 3 ?m ile 150 ?m arasinda kizilötesi bölgede SEL üretmektedir. Yakin Alan Mikroskopisi: Kullanilan isinimin dalga boyundan çok daha küçük çözünürlüklü iki boyutlu örneklerin karakterizasyona imkan verir. Yariiletken Spektroskopisi: 1- 150 µm dalgaboyu, yariiletkenlerde ve yariiletken kuantum yapilarda ( plasmonlar, fononlar gibi) uyarilma karakterleri olan enerjilerle ( 8- 250 meV) uyusmaktadir. Bu nedenle ELBE’ de gevseme dinamiginin zaman-çözünürlük çalismalari yapilabilmektedir.

37. 37 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri ELBE (Almanya) Biyomoleküllerin spektroskopisi: Dogadaki actinide bilesenlerin göç davranisi arastirmalarinda kullanilmaktadir. Çevredeki türlerin dagiliminin detayli açiklanmasi insanoglunu öncelikle uranyum aktivite atiklari veya nükleer kazalar gibi radyasyonel kontaminasyonlardan korumaktir. Kizilötesi spektroskopi: Mineral yüzeyleri gibi agir metal bilesenlerinin dogal ara yüzlerle moleküler etkilesimini belirlemede çok yararli bir tekniktir. Spektrumunda örnek içerisinde mevcut olan metal elementlerin ve sogurma sirasinda sekillenen molekül komplekslerinin yapisinin belirlenmesini saglanir.

38. 38 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri iFEL (Japonya) 2 RF linak ve 4 undulatörden olusan bir sisteme sahiptir. Elde edilen isinim ilk sistemde 0,23 µm ile 60 µm araligindadir. Diger sistemle ise 50 µm’ den 100 µm ye kadar ulasir. Bu isinim teshis odasina ve 4 kullanici istasyonlarina tasinir.

39. 39 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri iFEL (Japonya) Ana arastirma alanlari, Yüksek kalitede ve daha uzun dalga boylarinda isinim elde etme amaçli demet fizigi, Yariiletken uygulamalari, Çevre kimyasi ve demet fizigi çalismalarinin demet kalitesini desteklemesinden faydalanilarak çalisilan biyomedikal uygulamalar

40. 40 Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri iFEL (Japonya) 2004 yilina kadar üniversitelere, ulusal laboratuarlara ve özel sirketlere ait arastirma gruplari ile isbirligi içerisinde 40 uygulama çalismasi gerçeklestirilmistir. Arastirma alanlarinda makine çalisma süresi; Biyomedikal uygulamalar 60% Yariiletken arastirmalari 24% Fotokimya 8%

41. 41 Sonuç Hizlandirici teknolojileri ile tanismak ve bu teknolojiyi AR-GE amaçli kullanmak üzere ülkemizde bir IR-SEL kurulmasi yüksek teknolojiye dayali malzeme, yariiletken, medikal ve fotokimyasal arastirmalarinin dünya ölçeginde yapilmasina olanak saglayacaktir. Hizlandiriciya dayali isinim kaynagi olan IR-SEL’i hayata geçirebilmek ülkemizde hizlandirici teknolojileri ile tanismanin ilk adimini olusturacaktir.

42. 42 Kaynaklar http://www.bilge.science.ankara.edu.tr TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZI FIZIBILITE RAPORU, “Sinkrotron Isinimi ve Serbest Elektron Lazeri Kullanimi Için Genel Tasarim, DPT2003K-1201906-5 No.lu Proje Sonucu Raporu (http://bilge.science.ankara.edu.tr/) KARSLI, Ö., 2006. Hizlandiricilara Dayali Kizil Ötesi Serbest Elektron Lazeri (IR-FEL) Optimizasyonu. Yüksek Lisans Tezi. http://www.lure.u-psud.fr/clio.htm http://www.fel.eng.osaka-u.ac.jp http://www.lure.u-psud.fr/clio.htm

43. 43 Kaynaklar P. Shea et al., Free-Electron Lasers: Status and Applications.Science. Vol.292:1853-1858, (2001). S.Y.Suzuki et al., Proceedings of the FEL 2004 Conference, Trieste, 692-694 (2004). G.S. Edwards et al., Applications of Free Electron Lasers in the Biological and Material Science. G.S. Edwards et al., Free Electron Laser based Biophysical and Biomedical Instrumentation. S. Krishnagopal et al., Free- Electron Lasers: Current Science, Vol. 87, No.8, 2004 Couprie, M.-E. et. al. 2000. Free-electron lasers sources for scientific applications. Analusis, 28, 725-736. S.Satoh et al., Proceedings of the FEL 2004 Conference, Trieste, 695-698 (2004).

44. 44 Tesekkürler…