SEL FOTON DİYAGNOSTİĞİ

1. SEL FOTON DİYAGNOSTİĞİ Özkan ŞAHİN Uludağ Üniversitesi VIII. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu, Bodrum, Türkiye, 10 – 15 Eylül 2012

2. GİRİŞ • Foton Diyagnostiği; Önemi,  Temel Amaçları, • Araçların Genel Özellikleri • Kullanılan Detektör Çeşitleri;  Detektörlerin Yapısı,  Detektörlerin Çalışma Prensipleri,  Detektörlerin Kullanım Alanları.

3. Foton Diyagnostiği • Tabancadan çıkan elektronların uzaysal ve zamansal olarak gelişi güzel dağılımları gürültüye sebep olmaktadır. Bu gürültü, SEL’in şiddetinde % 10 – 20’lere varan (istenmeyen) dalgalanmalara neden olabilir. V. Yuup Çalıştayı 5-7 Haziran 2008 İSTANBUL

4. Foton Diyagnostiği • SEL’in üretimi ve sonrasında deney istasyonundaki incelemelerde kullanılabilmesi için özelliklerinin tam olarak belirlenmesi gerekir. • Spektral özellikler: kullanıcı deneylerinin optimizasyonu ilgili bilgiler edinebilmek için gereklidir. • SEL demetinin bant genişliğini ve yüksek harmoniklerin içeriğini saptamakta kullanılabilir. • Ayrıca, spektral dağılım ile atma içindeki modların sayısı tespit edilebilir ve atma uzunluğu tahmin edilebilir.

5. Foton Diyagnostiği • Odaklama: Deneylerde kullanılan SEL’in konumdaki dalgalanmalar hedeflenen odaklama değerinden sapmaya yol açar. Foton demetinin mikron veya daha küçük mertebede bir noktaya odaklanması gerekmektedir. • Dalga Cephesi Ölçümü: Deneylerin başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilmesi, koherent SEL’in dalga cephesinin kalitesi ile yakından ilintilidir. • Çarpık (veya bozuk) bir dalga cephesi örneğin, faz netliğine ihtiyaç duyulan görüntüleme deneylerinin çözünürlüğünü veya yüksek alan deneylerinde odaklamanın zayıflamasına neden olarak, deneye ulaşan SEL’in şiddetini azaltabilir.

6. Foton Diyagnostiği • Atım enerjisi (foton akısı): Deneylerin hemen hepsinde, en temel bilgi olarak, bir atım içindeki fotonların sayısının (foton akısı) saptanması istenir. • Bu SEL gibi sınırlı bant genişliğine sahip bir atım kaynağı için atmanın enerjisine karşılık gelen bir ölçümdür. • SEL’in açısal, uzaysal ve zamansal dağılımı vb. • Bu tür ihtiyaçları karşılamak için yapılan işlemler ve kullanılan cihazların tümü “Foton Diyagnostiği” olarak adlandırılır.

7. Araçların Genel Özellikleri • Diyagnostik sisteminde, kendiliğinden yayılmadan, SEL’in doyuma ulaştığı (~100 nm) bölgeye kadar olan tüm spektral aralığı tarayabilmek için çok yüksek vakum (ultra-high-vacuum, UHV ) altında ölçüm yapabilen detektörler kullanılır. • SEL demetinin çok küçük bir kısmını kullanarak, demete zarar vermeden ölçüm yapabilen (transparent) detektörler seçilmelidir. • Bunlar, SEL’deki dalgalanmalar nedeniyle atmalardaki ani değişimlere karşı oldukça kararlı, bir başka deyişle uzun ömürlüdürler.

8. Araçların Genel Özellikleri • Birbirleriyle bağlantılı (ve çoğunlukla eşzamanlı) çalıştırılması gereken diyagnostik araçlarındaki anlık değişimleri gözlemlemek ve elde edilen sonuçları doğrulukla kayıt altına almak için bir kontrol sistemi geliştirilmelidir. • Bu ölçümler sırasında ortaya çıkabilecek arızaların uzmanlar tarafından kısa sürede tespit edilip, etkin bir şekilde giderilmesi açısından da oldukça önemlidir.

9. Diyagnostik Araçları • MCP, MicroChannelPlate detektör, • GMD, Gaz Monitör Detektörü, • BPM, BeamPositionMonitör, • CCD, ICCD kameralar, • Termopiller, • Monokromotörler, aynalar, • Termopiller, • Fotodiyotlar, • Otokorelatörler

10. MCP (Micro Channel Plate)Detektör MCP • Micro kanallı düzlem detektör (MCP) sisteminin en önemli özelliği radyasyon şiddetinin bütün dinamik aralığında ölçüm yapabilme kapasitesidir. • Bu aralık kendiliğinden yayılmadan (spontaneous emission), SEL’in doyuma ulaştığı yere kadar olan bölgeyi içine almaktadır.

11. MCP Detektörün Yapısı MCP • İletken cam kılcalların bir araya getirilmesiyle oluşturulmuştur. • Kılcalların her biri bireysel olarak bakıldığında birer elektron çoğaltıcısı olarak çalışırlar. Bütünsel olarak bakıldığında ise MCP ikincil elektron çoğaltıcısı işlevi görür. • MCP’nin çoğaltma katsayısı, düzeneğe uygulanan voltajı (oldukça geniş bir aralıkta) değiştirerek kolayca ayarlanabilir. Bu özellik MCP detektörünü mükemmel bir VUV radyasyon monitörü haline getirmektedir.

12. MCP MCP Sisteminin Çalışma İlkesi • Altın tele SEL’in çok küçük bir kısmı gönderilip, bu telden yansıtıldıktan sonra mikrokanallı bir düzleme (MCP) çarptırılmaktadır. • Soldaki (sabit) MCP birimi, sağda daha uzakta yer alan (hareketli) MCP biriminden daha az bir duyarlılığa sahiptir. • Bununla birlikte, sağdaki MCP birimi, hareketliliği sayesinde bazen Linactan gelen Bremsstrahlung ışınımı da algılayabilmektedir. • Lineer bölgede çalışan MCP dedektöründe elektron çığı oluşturulur ve akım ölçülür. • Farklı şiddet değerleri, farklı akımlara karşılık gelmektedir.Örneğin, SASE SEL yüksek şiddete sahiptir ve birkaç yüz voltluk gerilim oluşturmaktadır.

13. 10-5 hPa GMD Gaz Monitör Detektörü • Foton akısını ölçmekte kullanılmaktadır. • Herhangi bir soy gazın fotoiyonizasyonuna dayalı çalışmaktadır. • Klasik detektörlerden yaklaşık 5 kat daha düşük parçacık yoğunluğuna sahip olduğundan, demete zarar vermeyen (transparent) bir detektör olarak kullanılabilmektedir.

14. GMD Detektörün Çalışma Bölgesi • Detektörün çalışma aralığının üst değeri lineer (orantısal mod) bölge ile sınırlandırılmıştır. Alt sınır ise elektron ve iyon sinyallerini gürültüden (background) ayırt edebilecek düzeyde olmalıdır.

15. GMD Gazın Seçimi • Gazın basıncı, cinsi, gaz atomlarının fotoiyonizasyon tesir kesiti ve fotoiyonların ortalama yükü hesaba katılmalıdır. • Zenon, detektörün yapısı ve çalışma prensibi açısından en iyi performansı sağlamaktadır. • 6-93 nm dalga boyu aralığında ölçüm yapabilmektedir. • Gazın basıncı çok düşüktür (~mbar); bu nedenle mobilite de düşük olacağından sönümleyici bir gaza ihtiyaç duyulmamaktadır. • Detektörden elde edilen kazanç, geleneksel iyonizasyon detektörlerine göre daha küçük bir değer olan 10000 civarındadır; yani detektör orantılı sayaç modunda çalışılmaktadır.

16. GMD Pompalama Sistemi • İyi bir diferansiyel pompalama sistemi sayesinde, araya herhangi bir pencere konulmaksızın iyi vakum kötü vakumdan ayırt edilebilmektedir. • Eğer bunun yerine bir pencere kullanılırsa, gelen ışımanın bir kısmının bu pencere tarafından soğrulma ihtimali ortaya çıkar. • İç basınç ~ 10-5mbar • Dış basınç ~ 10-9mbar

17. GMD Detektörün Genel Özellikleri • Detektör içinde fotoiyonizasyon ile üretilen yüklü parçacıklar (elektronlar ve iyonlar), oluşturulan homojen bir elektrik alan vasıtasıyla farklı yönlerde hızlandırılarak toplanabilmektedirler. • Elektrik alan üretilen yüklü parçacıkların hepsini toplayabilecek büyüklükte seçilmiştir ( yaklaşık 400 V/cm). • Tek bir SEL atması ile gaz içinde çok sayıda ikincil parçacıklar da oluşur; bu parçacıklar bir doyuma neden olabilirler. Bu durumun üstesinden gelebilmek için, yüklü parçacıkların deteksiyonu, Faraday kafesleri kullanılarak yapılmaktadır.

18. 10-5hPa GMD Çalışma İlkesi • Elektronlar alt kısımdaki Faraday kafesinde toplanırken, iyonlar ise sürüklenme tüpüne gönderilir ve oradan da üst kısımda yer alan Faraday kafesine ulaşırlar. • Normalde aşağıdaki ve yukarıdaki Faraday kafeslerden elde edilen akımlar birbirine eşit olmalıdır. Eşit değilse iyonların (örneğin) çift yüklü olduğu anlaşılırve bu durumda ya gaz basıncını ya da gelen demetin şiddetini düşürmek gerekmektedir.

19. GMD Ölçüm Sonuçları • Aynı anda hem elektron hem de iyon sinyalini gözlemlemek mümkündür. • Ölçüm zenon (Xe) gazı ve 12.8 eV’luk foton enerjisi bir başka deyişle 97 nm’lik dalgaboyu için gerçekleştirilmiştir. • İki sinyal arasındaki zaman farklılığı Xe+1’in uçuş süresi (time-of-flight) ile belirlenir. • Ayrıca +2 ve +3 yüklü iyonların uçuş süreleri de şekilde gösterilmiştir.

20. BMP BMP (Beam Monitor Position) detektör • Lazer demetinin konumunu daha hassas bir şekilde belirlemek için kullanılır GMD’nin hemen arkasına BMP (Beam Monitor Position) detektör yerleştirilir. • SEL demetindeki yanal yer değiştirmeler, BMP’nin farklı iki kısımdan gelen sinyallerin büyüklüğünden yararlanarak tespit edilir. Hareketli motorlar yardımıyla kontrol edilir.

21. CCD & ICCD CCD ve ICCD Kamera • SEL radyasyonunun spektrumunu gözlemlemek için UV bölgede çalışan CDD ve ICCD kameralara ihtiyaç duyulur. • Foton demeti bir düzlem aynadan saptırılarak, bir monokromotör yarığın üzerine düşürülür. • Monokromotör yarığının genişliği 10-6 m ’den 195x10-6 m ’ye kadar değiştirilebilmektedir. • CCD aslında bir foton detektörü olarak tasarlanmıştır, ancak içerisine giren yüklü parçacıklar tarafından oluşturulan elektron-hol çiftlerini de algılar.

22. CCD & ICCD CCD ve ICCD Kamera • Oluşan yük taşıyıcıları, pikselin hemen altında oluşan bir potansiyel kuyusunda tutulur ve sinyal, depo edilen bu yüklerin bir pikselden diğerine sırasıyla kaydırılmasıyla alınır. Bu sinyalin bir yükselteç devresi tarafından yükseltilmesi gerekir. Bir CCD milyonlarca pikselden oluşabilir.

23. CCD & ICCD Ölçüm Sonuçları (CCD kamera) • Yatay ekseni (x) sapma yönüne karşılık gelmektedir; düşey eksen (y) ise yarığa paraleldir. • CCD kamera ile elde edilen spektral dağılım (düşey doğrultudaki integral şiddet). Dağılım 92.1 nm de merkezlenmiştir ve burada FWHM 0.74 nm olarak hesaplanmıştır.

24. CCD & ICCD Neden ICCD Kamera ? • İki atma (puls) aralığının minimum değeri, CCD kameranın okuma zamanı olan 8s ile sınırlıdır. Bu sınırlamadan kurtulmak için şiddetlendirilmiş (intensified) CCD kamera geliştirilmiştir. • ICCD’nin okuma süresi 125 ms’dir. • Fakat, ICCD kameralar CCD’lerden yaklaşık 10 kat daha pahalıdır (6000/60000 €).

25. CCD & ICCD ICCD Kameranın Çalışma İlkesi • SEL önce fotokatota gönderilir ve katottan sökülen elektronlar MCP detektöründe çoğaltılarak fosfor ekran üzerine düşürülür (P46; yarılanma ömrü (1/e): 140 ns). • MCP’ye uygulanan gerilim bir tetikleyici vasıtasıyla ayarlanarak 1ns mertebesinde anahtarlama yapılabilmektedir. • Böylelikle lazer atmalarını kayıt altına alabilmek veya birçok atma arasından bir tanesini seçmek mümkündür.

26. CCD & ICCD CCD ve ICCD Kameranın Özellikleri

27. Monokromotörler, aynalar • Dalga cephesi ölçümleri ve spektrum

28. Termopil Termopiller(hızlı bolometreler) • Termopiller SEL için hassas bir detektör olarak kullanılmaktadır. Özellikleri: • 100 nm kalınlığında özel bir kristalin (YBa2Cu3O7-δ) bir alttaş (SrTiO3) üzerine kaplanmasıyla oluşturulmuştur. • Alttaş atomlarının ve kristalin düzlemi yatayla α=100 açı yapmaktadır.

29. Termopil Çalışma Prensibi • W çaplı lazer atması kristal üzerine düşürüldüğünde e-h çiftlerini oluşturmaktadır. Bu kristalin yük dengesinin bozulması anlamına geldiğinden, bir potansiyel fark oluşmaktadır. Bu potansiyel fark ölçülerek gelen lazer atmasının özellikleri belirlenebilmektedir. • Oluşan gerilim, gelen lazer ışınımının şiddeti ile orantılıdır. • Kullanılan kristalin (YBa2Cu3O7-δ) çok ince olması çok hızlı ölçümlerin yapılabilmesine olanak sağlamaktadır.

30. Ce:YAG crystal PtSi photodiode (1nJ < Epulse< 1µJ) 100 mm Thermopile (Epulse > few µJ) rear front Fotodiyotlar • Lazer ışığına zarar verdikleri hatta lazeri bloke ettikleri için deney istasyonlarında hassas ölçümler yapılırken kullanılmamaktadırlar. Çalışma Prensibi: • PtSi üzerine düşürülen lazer elektron-hole çiftleri oluşturur ve sonuç olarak akım ölçülür.

31. Otokorelatörler • Demet içerisinde femtosaniye zaman aralığına sahip pulsların boyunu ölçmek ve atma sürekliliğini belirlemek için kullanılırlar. Çalışma Prensibi: • Foton atması bir demet ayırıcı kullanılarak iki kısma bölünür. • Atmalardan biri hareketli bir optik geciktirici üzerine düşürülerek, atmalar arasında bir gecikme oluşturulur ve iki atma tekrar bir araya getirilerek detekte edilir.

32. Teşekkürler …