350 likes | 636 Views
KIZILÖTESİ S ERBEST Elektron lazerİ İ ç İ n foton d İ yagnost İĞİ ’n İ n tekn İ k tasar I m I. ERSİN ÇİÇEK * , PERVİN ARIKAN * * Gazi Universitesi , Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, 06500, Teknikokullar, ANKARA.
E N D
KIZILÖTESİ SERBEST Elektronlazerİİçİn foton dİyagnostİĞİ’nİn teknİk tasarImI ERSİN ÇİÇEK*, PERVİN ARIKAN* *Gazi Universitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, 06500, Teknikokullar, ANKARA 07-09.09.2013, Türk Fizik Derneği 5. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi (UPHUK-5)
İçerik • Serbest Elektron Lazerive Elde Edilmesi • THM Kızılötesi SEL • THM-TARLA SEL Foton Diyagnostiği • Foton Diyagnostiği için Kullanılan Optik Bileşenler • Diyagnostik Masası Dalgaboyu ve Güç Ölçümleri • Otokorelatör Kurulumu, SEL için Atma Uzunluğunun Hesaplanması • Ti: Sa Lazeri için Atma Uzunluğunun Hesaplanması • SEL için OtokorelatörKurulumu • Optik Işın Karakterizasyonu • Sonuçlar Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Serbest Elektron Lazeri (SEL) • SEL Çeşitleri; • Yükselteç SEL • Işınımın dışarıdan verilen başka bir ışınım ile güçlendirilmesi • SASE (Self Amplified Spantenous Emission-Kendiliğinden genlik arttırımlı SEL) SEL • Elektron demetinin salındırıcı magnetten geçerken, kinetik enerjisinin bir kısmını ışıma yoluyla kaybetmesi, Tek geçiş • Osilatör SEL • Lineer hızlandırıcıdan elde edilen rölativistik elektron demetinin, ‘undulatör’ adı verilen salındırıcı magnetlerden geçirilmesi sonucu elde edilen ışınıma Serbest Elektron Lazeri (SEL)denir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Osilatör Serbest Elektron Lazerinin Elde Edilmesi • Termiyonik Tabanca • Katot (filaman) • Wehnelt silindiri (grid kap -500V) • Anot • Rölativistik elektron demeti, manyetik kuvvet tarafından x-s düzleminde periyodik bir salınıma zorlanır. • Elektronlar sinüssel değişen manyetik alanda ivmeli hareket edeceğinden (yön değiştirme) foton yayacaklardır. (senkronize radyasyon) • Doğrusal hızlandırıcılar; • Sürüklenme (drift) tüpler • RF (radyo frekans) • Süperiletken (Sİ) ve • Normaliletken (Nİ) Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Optik Kavite • Salındırıcıya giren elektron demeti ivme ve genlik kazanır ve kendiliğinden ışıma yayar, • Işıma iki küresel ayna arasında pek çok kez yansıtılır, • Lazer dalgası ile elektron demeti arasında enerji alışverişi gerçekleşir, • Koherent bir ışınım elde edilir. Rezonatör uzunluk kontrol ve stabilizasyon sistemi şematik görüntüsü Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5 HZDR, Radiation Source ELBE, "IR Radiation (FEL) "
THM Kızılötesi Serbest Elektron Lazeri Demet Sıkıştırıcı Enjektör 250 keV • Deney İstasyonları; • Foton Diyagnostik, • Ultrahızlı Fotonik uygulamalar, • Genel IR Spektroskopi, • Nükleer çalışmalar için Bremsstrahlung istasyonu (5-40 MeV – γ ya da sabit hedef) • Elektronları 250 keV’lik enerjiye ulaştıracak bir DC termiyonik elektron tabancası • 3-250 μm dalgaboyu aralığında SEL üretimi • 40 Mev enerjili elektron demeti elde etmek için, iki20 MeV süperiletkenRF hızlandırıcı modül • Farklı salındırıcı (U25 ve U90) LINAK-1 5-20 MeV LINAK-2 8-40 MeV Lazer 3-250 µm SEL Üretimi Prof. Dr. Pervin Arıkan, TheStatus of TARLA IR-FEL ExperimentalStations Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
TARLA tesisi elektron demet ve SEL parametreleri • İki farklı mod’da çalışan süperiletken lineer hızlandırıcılar kullanılarak atmalar elde edilecektir. • CW mod (Continuous Wave-Sürekli dalga) • Makro-atma mod Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
THM TARLA-SEL Foton Diyagnostiği Foton Diyagnostiği, optik kaviteden elde SEL ışınının; • Hizalanması, • Dalgaboyu ayarlanması, • Odaklanması, • Masa üzerindeki optik araçların düzeni, • Kullanıcı laboratuarları için karakteristiklerinin, (Atmanın yoğunluğu ve gücü, SEL’in dalgaboyu ve spektral dağılımı, SEL’in çok kısa atma uzunluğu) belirlenmesi işlemlerini kapsar. • Optik kaviteden elde edilen kızılötesi lazer; • Brewster açısında monte edilmiş 320 µm kalınlığına sahip bir CVD elmas vakum penceresi, • 3’ü toroidal biri düz olmak üzere 4 ayna yardımıyla ve mercekler, • Işın borularının oluşturduğu demet hattı, Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Foton Diyagnostiği için Kullanılan Optik Bileşenler • Diyagnostik masası • Aynalar (scrapper, çevirmeli, odaklayıcı parabolik aynalar vb.), • Işın ayırıcı, • Czerny-turner tipi spektrometre, • SEL’in dalgaboyu ve güç ölçümü için dedektörler (MCT, Ge:Ga, Pyroelektrik, Yüksek güç ve düşük güç dedektörleri), • Nd: Vanadat lazer sistemi ve plazma anahtar sistemi (Nd:Vanadat lazer, yükselteç, Si/Ge anahtar tabaka), • Zayıflatıcı, • Optik pencereler, • Polarizasyon dönüştürücü, • Optomekanik bileşenler (Optiksel ışın kesici, optik raylar, açıklıklar, lab platforms, ayna ayakları ve ayna tutucuları vb.), • Optik otokorelatör Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Diyagnostik Masası • Granit masa • Boyutlar; masa uzunluğu 180 cm, genişlik 120 cm ve kalınlık 20,3 cm, Masanın yerden yüksekliği ise 90 cm • Kuru , He veya Ne gazları ile soğutma HZDR, Radiation Source ELBE, "IR Radiation (FEL) " Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Otokorelatörün şematik düzeni • SHG kristal; • Yüksek şiddete sahip monokromatik ışık • Gelen ışığın frekansının iki katı frekansa sahip ışık sinyali SHG Kristali Kullanılarak bir Yoğunluk Otokorelatörü için Deneysel Şema • İkincil harmonik üretimi Elektronun sanal seviyede kalma süresi; enerjisi en yakın gerçek enerji düzeyi ile sanal seviye arasındaki fark Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Kristal içerisinde faz eşleştirme, kristalin optik ekseni değiştirilerek elde edilir. • İkincil harmonik sinyalinin veriminin yüksek olması için; • Atma uzunluğunun çıkarımı ∆τ, atma uzunluğu, ∆ν, frekans değeri, Gausyen atmalar için; • MCT dedektör kullanılarak otokorelasyon sinyal eğrisi elde edilir, • Fit edilir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
DENEY VE SONUÇLAR • Foton Diyagnostiği için yapılan bütün deneyler HZDR (Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf) – ELBE Radiation Source tesisinde Dr. Wolfgang Seidel ile birlikte gerçekleştirilmiştir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Farklı salındırıcı aralıkları (g) için dalgaboyu ve güç ölçümü Sabit optik kaviteuzatılma miktarı ve artan salındırıcı kutup aralığı için değişen SEL dalgaboyu ve güç değerleri Yoğunluk [a.u] Dalgaboyu [μm] • SEL’in dalgaboyu; ; , Salındırıcıdaki kutup uçlarının orta noktasındaki akı yoğunluğu olmak üzere demet ekseni boyunca değişen alanın pik değeri; Düzlemsel salındırıcının magnet alanı, • , salındırıcı magnete ait dalga sayısı • λu, düzlemsel salındırıcının periyot uzunluğu • elektronun yatay hız bileşeni ile • elektromanyetik dalga arasındaki faz açısı • , Parçacığı salındırıcı içerisinde eksen boyunca ideal yörüngesinde tutacak olan maksimum açı Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5 • Dalgaboyu ölçümleri CW mod, Güç ölçümleri makro-atma mod
Sabit optik kaviteuzatılma miktarı ve farklı salındırıcı kutup aralıkları için SEL’in değişen özellikleri • Salındırıcı aralığı değiştirilerek SEL’in dalgaboyu ayarlanır. • U27 salındırıcısı, 15,5 µm SEL • Sabit optik kaviteuzatılma miktarı 4,227 mm • Atma uzunlukları teorik olarak hesaplanır Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Otokorelatör Kurulumu, Ti: Salazeri SEL için Atma Uzunluğunun Hesaplanması • Değişken τ zaman farkı, • SH üreten bir kristal, • Zamansal ve uzaysal olarak üst üste getirilme. • Işın ayırıcıdan yansıyan ve geçen ışınların güçleri 0,65 mW • He-Ne lazer (633 nm,5 mW), • 3 altın ve 2 gümüş ayna (çap 50,8 mm, kalınlık 10 mm), 5 aralık • Parabolik ayna (odak uzaklığı 50 mm Çap(Ø2")= 50 mm), • Lazerin masadan yüksekliği 15 cm, • λ-Yarım dalga plaka, Işın ayırıcıdan geçen lazerin aldığı yol; Işın ayırıcıdan yansıyan lazerin aldığı yol; Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Ti: Sa Lazeri için Atma Uzunluğunun Hesaplanması • 650-1100 nm dalgaboyu • Birkaç ps ve 10 fs arasında ultrahızlı • Sinyal tekrarlama oranı 70-90 MHz arası • 0,5’den 1,5 W’a kadar ortalama güç çıkışı • Ti: Sa Lazer (λ=800nm) • Osiloskop, λ/2 yarımdalgaplaka • Elektrikli motor kızak sistemi • Çapı (Φ)=50,8 mm olan 5 adet Ayna • ZnSe ışın ayırıcı (Kalınlık=3mm, Çap(Φ)=2*25,4mm) • BBO lineer olmayan kristal, SHG@800nm • 1 adet Lens (Odak uzaklığı=50 mm, Çap(Φ)=25,4mm, 190-2100 nm • Geçirgenlik aralığı 335 – 610 nm olan monte edilmemiş renkli cam filtre (Çap(Φ)=1 inç= 25,4 mm Kalınlık=2 mm) • 320-1100 nm dalgaboyu aralığında verimli olan, Ultrahızlı Fotodedektör ((Yükselme süresi<175 ps Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Ti: Sa Lazer (λ=800nm) • İkincil Harmonik sinyal 400 nm, • Renkli cam filtre için geçirgenlik yüzdesi • Sinyalin genliği yükselteç kullanılarak arttırılır (yaklaşık 5 kat) Tetikleyici olarak kullanılan Si tabanlı DET10A dedektörünün spektral cevabı Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı 270 • Her bir adım arasında ki zaman farkı 20 fs • Tarama süresi yaklaşık 5,4 ps • Tarama uzunluğu yaklaşık olarak 1,5058 mm’dir Otokorelasyon Sinyali [a.u] Gecikme [ps] Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri; olmak üzere 810 nm dalgaboyuna sahip Ti: Sa lazeri için atma uzunluğu; Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Ti: Sa Lazeri İkincil Harmonik için Güç Ölçümü • Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) • Nötr yoğunluk filtresi (240-1200 nm), • Güç belli kademelerde azaltılır • (1,74W – 1,21 W – 0,71 W) • Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) • İkincil harmonik sinyal 400 nm • Güç 1,74 W Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) • İkincil harmonik sinyal 400 nm • Güç 1,21 W • Dalgaboyu sabit (λ=801 nm) • İkincil harmonik sinyal 400 nm • Güç 0,71 W Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Dalgaboyu sabit, tekrar kristal optimizasyonuna gerek yok Gürültü yoğunluk değeri sabit, ortalama 0,00118 V Otokorelasyon sinyali [a.u] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5 Gecikme [ps]
SEL için Otokorelatör Kurulumu • Polarizasyon dönüştürücü, • Elektrikli motor kızak sistemi, Osiloskop, • Pyroelektrik kamera, • Lineer olmayan CdTe kristali (Kalınlık: 600 µm, Boyutlar: 10*10*0,6 mm3 • 2 adet ZnSe lens (Odak uzaklığı:50 mm, Çap(Ø1"):25,4 mm, • 1-26 μm, MCT dedektörü, • Turkuaz filtre • Mylar ışın ayırıcı (Kalınlık:1,2 µm, Çap(Φ):2*25,4 mm), • U100, SEL (26,2 μm) • SEL 26,2 μm – İkincil Harmonik ışın 13,1 μm • SEL’in toplam gücü 60 mW, • Işın ayırıcıdan yansıyan ışının gücü 26 mW, • Işın ayırıcıdan geçen ışının gücü 32 mW Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
SEL 26,2 μm – İkincil Harmonik ışın 13,1 μm • SEL’in toplam gücü 60 mW, • Işın ayırıcıdan yansıyan ışının gücü 26 mW, • Işın ayırıcıdan geçen ışının gücü 32 mW Kullanılan ZnSe lenslerinin dalgaboyuna bağlı olarak yansıma ve iletim yüzdeleri İletim [%] Yansıma [%] Dalgaboyu [μm] Dalgaboyu [μm] Bloke edici filtreler ve karakteristikleri Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Otokorelasyon Eğrisinin Elde edilmesi ve Atma Uzunluğunun Hesaplanması • He-Ne interferometrik lazer, Kristal optimizasyonu, Dedektör konumu • İki ışın arasındaki gecikme zamanı değiştirilir, SH elde edilir • SEL Işınının Optik Karakterizasyonu • Optik ışın özellikleri hassas bir şekilde ayarlanabilir (ELBE U100 Ölçümleri!!) 63 mW 28 mW SEL Gücü – P [mW] Optik kavite ayarı - ∆L [μm] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Optik spektrum; • 26,2 μm SEL • Optik kaviteuzatılma miktarı 8,345 mm • 63 mW güç Spektral bant genişlik yüzdesi; • Otokorelasyon sinyali; • Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı 800 • Her bir adım arasında ki zaman farkı 20 fs • Tarama süresi 16 ps,Tarama uzunluğu 4,73 mm Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri; Otokorelasyon Sinyali [a.u] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5 Gecikme [ps]
Optik spektrum; • 26,2 μm SEL • Optik kaviteuzatılma miktarı 8,375 mm • 28 mW güç Spektral bant genişlik yüzdesi; • Otokorelasyon sinyali; • Elektrikli motor kızağı üzerinde adım sayısı 210 • Her bir adım arasında ki zaman farkı 40 fs • Tarama süresi 8,4 ps,Tarama uzunluğu 2,52 mm Otokorelasyon eğrisinin FWHM değeri; Otokorelasyon Sinyali [a.u] Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5 Gecikme [ps]
SEL için optik spektrumlardan elde edilen sonuçlar; SEL için otokorelasyon sinyal sonuçları; Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
SONUÇLAR • THM TARLA tesisi, üretilecek olan 3–250 μm dalgaboyu aralığındaki kızılötesi lazerin; • Güç (TARLA tesisi için 0.1-40 W), • Dalgaboyu (TARLA tesisi 3-250 μm ), • Spektral dağılımı ve • Atma uzunluğu (TARLA tesisi için 1-10 ps) • Parametrelerin hesabı, • Kısa dalgaboyları için MCT, uzun dalgaboyları için ise Pyrodedektör, • Elmas pencere diyagnostik masası üzerinde, • ZnSe, KRS-5, TPX, kuartz ve yine elmas kullanıcı istasyonlarının girişinde, Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Ti: Sa lazeri için atma uzunlukları 1-3 ps arasında, • Ti: Sa, ikincil harmonik minimum güç miktarı 0,71 Wolarak ölçülmüştür. • 1,74W gücüne sahip Ti:Sa için; • Üç farklı güç değeri; • İyi bir otokorelasyon sinyali için yüksek güce sahip Ti:Sa • 1,21 W gücüne sahip Ti:Sa için; • 1,21 W gücüne sahip Ti:Sa için; Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Atma uzunluğunu hesaplamak için otokorelatör ve CdTe kristali, • 35 µm ve üstü dalgaboyu aralıkları teorik hesap, • Altın (Au) kaplama malzemesi olarak, • Bakır alttaş malzemesi olarak, Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Otokorelasyon Sinyali [a.u] Otokorelasyon Sinyali [a.u] FWHMotokor.=3,29981 ps Atma uzunluğu= 2,33 ps FWHMotokor.=8,03229 ps Atma uzunluğu= 5,67 ps Gecikme [ps] Gecikme [ps] • Sol panel; • Optik kavite ayarı -5 µm, • SEL’in gücü 63 mW • Sağ panel; • Optik kavite ayarı -35 µm, • SEL’in gücü 28mW • Kısa atmalar – Geniş bant aralığı • Uzun atmalar – Dar bant aralığı • Kavite senkronizasyonu ile atma uzunlukları istenilen şekilde ayarlanabilir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Farklı optik kavite uzunluk ayarları için IR spektrum; • Sonuç olarak; • Bir diyagnostik masasında bulunması gereken, SEL’in hizalanmasını ayarlamak için He-Ne lazeri, • Aynaların, ışın ayırıcıların, spektrometrenin, dedektörlerin, ışın zayıflatıcının, pencerelerin, polarizasyon dönüştürücünün, Nd:Vanadat lazer sistemi ve plazma anahtar sisteminin, optomekanik bileşenlerin ve otokorelatörün özellikleri araştırılmış olup THM-TARLA tesisi’nde kurulacak olan diyagnostik masası için uygun özellikte olanlar belirlenmiştir. Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Dinlediğiniz için teşekkür ederim… Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5
Kaynaklar • Ketenoğlu, B., “CLIC Drive Beam’e Dayalı SASE FEL”, CERN TURK FORUMU (CERNTR) Europe/Zurich, (2007). • Lehnert, U., Michel, P., Seidel, W., Stehr, D., Teichert, J., Wohlfarth, D., Wünsch, R., “Optical Beam Properties and Performance of the MID-IR at ELBE ”, 27TH International Free Electron Laser Conference, Stanford, California, USA, 287 (2005). • Yavaş, Ö., "Hızlandırıcı Fiziği Ders Notları", Ankara Üniversitesi,Ankara, (2009). • http://phys.strath.ac.uk/alpha x/Assets/images/fel.jpg, (2006). • Arslan, M., "İkincil Harmonik Üretim Deneyinin Kurulması", Yüksek Lisans • Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,Ankara, 1, 4-7, 17-18, (2009). • 7. Xu, J., Knippels, G.M.H., Oepts, D., van der Meer, A.F.G., “A far-infrared • broadband (8.5-37µm) autocorrelator with sub-picosecond time resolution • based on cadmium telluride”, Optics Communications, 197: 379-383 (2001). • 8. İnternet: ELBE-Center for High Power Radiation Sources with FEL, Logbook, • https://www.hzdr.de/db/!Elbe.Logbook.Liste, (2013). • 9. Brunken, M., Casper, L., Genz, H., Hessler, C., Khodyachykh, S., Richter, A., “A compact • autocorrelator for the wavelength range between 4 and 10 µm” , Optics &Laser • Technology, 35: 349-353 (2003). • 10. İnternet: Thorlabs, Optical Elements, Filters • http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=3695, • (2013). • 11. İnternet: Türk Hızlandırıcı Merkezi, THM IR-SEL Tesisi • http://thm.ankara.edu.tr/?bil=bil_icerik&icerik_id=123, (2011). • 12. Arıkan, P., "THM TARLA Tesisi Deney İstasyonları ve Kullanıcı Potansiyeli",XI. Türk • Hızlandırıcı Merkezi YUUP Çalıştayı, Ankara Üniversitesi Hızlandırıcı Teknolojileri • Enstitüsü, Ankara, 26, (2012). Ersin ÇİÇEK | Gazi Üniversitesi, 07-09.09.2013 UPHUK-5