PARÇACIK HIZLADIRICILARI

Erkan UĞURELTürk Öğretmen Çalıştayı 8

1

İÇERİK

1. Parçacık Hızlandırıcısı Ne Demektir?

2. Parçacıkları Niçin Hızlandırırız?

3. Hızlandırıcı Çeşitleri

3.1 Elektrostatik Hızlandırıcılar Cockroft Walton Jeneratörü

Van de Graaff Jeneratörü

3.2 Alternatif Akım Hızlandırıcılar

Rolf Wideroe’ nın Doğrusal Hızlandırıcısı

3.3 Radyo Frekans (RF) Hızlandırıcılar

3.3.1 Alvarez Sürüklenme Tüplü Doğrusal Hızlandırıcı

3.3.2 Dairesel Hızlandırıcılar

Döndürgeç (Cyclotron) Eşzamanlayıcı (Synchrotron)

4. Hızlandırıcı Teknolojileri

5. Hızlandırıcıların Uygulama Alanları

6. Kaynakça2

1.Parçacık Hızlandırıcı Ne Demektir?

• Elektrik alan yardımıyla proton, elektron ve pozitron gibi yüklü parçacıkları ışık hızına yakın hızlara çıkarabilen yapılardır.

• Günümüzde hızlandırıcılar yardımıyla parçacıkların enerjisi GeV ve TeV mertebesine çıkarılabilmektedir.

3(1eV= 1.6.10-19 J, 1 GeV=109 eV, 1 TeV= 1012 eV)

2.Parçacıkları Niçin Hızlandırırız?• Varlıkların

büyüklükleri algılama şeklimizi etkiler. Gezegenleri gözlemlemek için teleskop, hücrenin yapısını incelemek için mikroskop kullanırız.

• Peki ya en

küçükler için? 4

• 10 -18 metre boyutundaki kuarkve elektron gibi temel parçacıkları incelemek için ise hızlandırıcılar kullanırız.

• Parçacıkları hızlandırarak çarpıştırır ve oluşan yeni parçacıkları inceleriz.

5

3. Hızlandırıcı Çeşitleri

3.1 Elektrostatik Hızlandırıcılar• Yüklü parçacıklar belirli bir

potansiyel fark altında E = q.ΔV kadar kinetik enerji kazandırılır.

! Yüksek enerji için yüksek

gerilimlere ihtiyacımız var. Yüksek gerilim levhalar arasında elektrik boşalmasına neden olacağından bizi sınırlar.

6

7

• Üretecin gerilimi bir dizi elektrot arasında paylaştırılarak bu sorun aşılmaya çalışılmıştır.

• Yaygın olarak kullanılan elektrostatik hızlandırıcılar Cockroft -Walton ve Van de Graaff hızlandırıcısıdır.

• 1932 yılında Cockroft ve Walton Li atom çekirdeğini parçalanarak ilk yapay çekirdek bölünmesini gerçekleştirmişlerdir.

(Lityum çekirdeği + proton = 2 Helyum

çekirdeği + enerji)

Cockroft-Walton Jeneratörü

• Bir AC üretecinden elde edilen düşük gerilim, diyot ve kondansatörler yardımıyla DC gerilimine dönüştürülerek çoğaltılır.

• Ardışık iki elektrot arasındaki potansiyel fark U0 kadardır. Elektrot sayısı artırılarak toplam potansiyel fark artırılır.

8

Cockroft-Walton hızlandırıcı şeması

9

Cockroft-Walton Jeneratörü

10

• Elektrik motorunun hareket ettirdiği bir kayış ve bu kayışın temas ettiği iletken küreden oluşur. Doğru akım kaynağı kayışı yükler ve kayıştaki yükler iletken küreye aktarılır. Küre yüzeyinde biriken yükle doğru orantılı olarak kürenin potansiyeli artar.

Van de Graaff Jeneratörü

• Yüksek gerilim Cockroft-Walton Jeneratörü’nde olduğu gibi bir dizi elektrota paylaştırılır.

11

12

Rolf Wideroe’ nın Doğrusal Hızlandırıcısı

Wideroe hızlandırıcı şeması

• Alternatif akımla çalışan doğrusal hızlandırıcılarda salınımlı alanlar ve metal sürüklenme tüpleri kullanılır.

13

3.2 Alternatif Akım Kullanılan Hızlandırıcılar• Elektrostatik hızlandırıcıların yüksek potansiyel sınırlamasını ortadan

kaldırmak için alternatif akım kullanma fikri ortaya atılmıştır.

Hızlandırıcı elektrik alanYavaşlatıcı elektrik alan

14

15

• Hızlanma, tüpler arasında oluşan elektrik alan yardımıyla gerçekleştirilir. Tüpler içinde hızlanma olmaz.

16

! Hız arttıkça tüpler arasındaki

mesafe ve tüp uzunlukları artacaktır.

17

!Tüplerin boyunu kısaltmak için yüksek

frekans kullanılması gerekir; ancak bu durum yapının anten görevi görerek elektromanyetik ışıma yapmasına neden olur.

• Yüksek frekansların kullanımı için Amerikalı fizikçi Luis Alvaressürüklenme tüplerini geliştirmiştir. (DTL:DriftTube Linac)

• Hızlanma, kovuk içerisine gönderilen elektromagnetik dalganın oluşturduğu elektrik alanla gerçekleşir.

18

3.3 Radyo Frekansı (RF) Hızlandırıcılar

3.3.1 Alvarez Sürüklenme Tüplü Dogrusal Hızlandırıcı

• İletken bir yapı içerisine yerleştirilmiş sürüklenme tüpleri ve RF üretecinden oluşmaktadır.

19

• RF üretecinden iletken yapı içerisine emd gönderilir. Oluşan EA salınım yaparak T/2 sürede yön değiştirir. Parçacıklar T/2 sürede hızlanırken T/2 sürede yavaşlar.

• Parçacıklar sürüklenme tüpleri içine girerek zıt elektrik alandan korunmuş olurlar ve yavaşlamazlar.

20

• RF kovuklarıFrekans, parçacık çeşidi ve hıza bağlı olarak farklı şekillerdeki metalik yapılardır.

RF kovukları

21

ABD California’da bulunan Stanford Doğrusal Hızlandırıcı (SLAC)

22

3.3.2 Dairesel Hızlandırıcılar

Döndürgeç (Cyclotron)

Ernest Lawrance ve öğrencisi Stanley

Livingstone tarafından yapılan 11.5 cm

yarıçaplı ilk döndürgeç (1931)

• Parçacıkların elektrik alan yardımıyla hızlandırıldığı ve manyetik alan etkisiyle çembersel yörünge izlediği yapılardır.

23

• Parçacıklar hızlandıkça manyetik alan etkisiyle spiral bir yörünge çizerler.

• RF üreteci D şeklindeki elektrotlara bağlanarak elektrik alan oluşturur. Hızlanma plakalar arasında olur.

24

Eşzamanlayıcı (Synchrotron)

• Hızlandırma, kapalı çembersel metal boru içinde radyo-frekans kovuklar yardımıyla yapılır.

25

• Parçacık demeti aynı yüklü olduğu için birbirlerini iterler, bunları bir arada tutmaya yarayan odaklayıcı (dört kutuplu) magnetler kullanılır.

Odaklayıcı Magnetler

26

Bükücü Magnetler

• Parçacıkları yörüngede tutmak için bükücü (çift kutuplu) magnetlerkullanılır. Hız arttıkça parçacıkları yörüngede tutan manyetik alan şiddeti de artar.

27

• Günümüzdeki en büyük eşzamanlayıcıCERN’ de kullanılan yaklaşık 27 km uzunluğundaki LHC ( Büyük HadronÇarpıştırıcıdır)’dir.

28

• Parçacıklar çok yüksek hızlara ulaştırılabilmekte ve demetler defalarca birbiri içinden geçirilerek çarpışma sayısı artırılabilmektedir.

• Parçacık hızlandırıcılarda enerji verimliliği için birçok hızlandırıcı birlikte kullanılır.

CERN hızlandırıcı yapıları

29

30

• ABD Fermilab’ da bulunan 6.28 km uzunluğundaki TEVATRON

! Yüksek hızlar, daha güçlü

manyetik alanları gerektirir.

! Yüklü parçacıklar

ivmelendiklerinde enerjilerinin bir kısmını elektromanyetik dalga olarak yayarlar. (eşzamanlı ışınım). 31

Algıç teknolojileri

4. Hızlandırıcı Teknolojileri Hızlandırıcıların gelişimlerine paralel gelişen teknolojiler

32

5. Hızlandırıcıların Bazı Uygulama Alanları

Parçacık FiziğiAtom altı düzeyde maddenin yapısını ve etkileşimlerini inceleyerek evrenin yapısı ve oluşumunu açıklamaya çalışır.

33

34

Radyoterapi Radyoterapide kullanılan Co60, kanserli hücreleri yok etmekle beraber sağlıklı dokuya da zarar vermektedir. Parçacık hızlandırıcılar (Linac) kullanılmasıyla tümöre verilecek doz miktarı iyi ayarlanabilmekte ve sağlıklı dokuların daha fazla zarar görmesi önlenebilmektedir.

Nükleer TıpDöndürgeç tipi hızlandırıcılarla kanser, nörolojik hastalıklar, beyin fizyolojisi gibi pek çok hastalığın tanılanması için gerekli olan radyoizotopların üretilmesini amaçlamaktadır.

35

Gıdanın ışınlanmış olduğunu gösteren

sembol (Radura)

Gıda Mühendisliği

Besinler ışınlanarak içlerindeki bakteri ve mantar gibi zararlılar yok edilerek sağlıklı hale getirilip raf ömürleri uzatılabilmektedir.

36

GüvenlikSerbest elektron

lazerleriyle konteynerlerin, tankerlerin ve araçların kontrolleri hızlı bir şekilde yapılarak patlayıcı gibi tehlikeli madde taşıyıp taşımadıkları tespit edilebilmektedir.

37

ArkeolojiArkeolojik objelerin yaşlarınının tayininde kullanılır. Bu yöntemler Galileo’nun el yazıları kronolojik olarak sıralanabilmiştir. Fransadaki dünyaca ünlü Louvre müzesinde bulunan proton hızlandırıcı yardımıyla antika eserlerdeki elementler belirlenebilmektedir.

38

Biyoteknoloji ve Genetik

39

Proteinlein ve enzimlerin yapısını ve işleyişini, DNA’nın yapısını (örnek: insan genom projesi) açıklamada kullanılır.

6. Kaynakça Hızlandırıcı Fiziği Ders Notları, Veli YILDIZ.

Meraklısına Parçacık ve Hızlandırıcı Fiziği, AKGÜN, B., ÜNEL, G., ERHAN, S., SEKMEN, S., KÖSE, U., V. YILDIZ, V.

https://www.tobb.org.tr/CERNSanayiIrtibatOfisi/Dokumanlar/sunumlar/PDF/07%20-

%20T%C3%BCrk%20H%C4%B1zland%C4%B1r%C4%B1c%C4%B1%20Merkezi%20THM@TOBB.pdf

http://www.trthaber.com/haber/dunya/iranda-hiv-virusu-artis-gosteriyor-246825.html

http://www.medikalteknik.com.tr/hastanelere-radyoterapi-destegi/

http://www.meyvedergisi.com/gizemli-molekul-dna/

https://www.fizikist.com/parcacik-hizlandiricilari-uzerine/

http://institute.tarla.org.tr/tac/YAZOKULU/yazokulu1/dersnotlari/oyavas2.pdf

https://www.flickr.com/photos/slaclab/31619935252

http://institute.tarla.org.tr/thm/katalog/katalog.html

https://project.lsst.org/safety/SLAC

https://www.muhendisbeyinler.net/parcacik-hizlandirici-nedir/

https://bilimfili.com/parcacik-hizlandiricilar-hakkinda-10-gercek/

http://fizikakademisi.com/2016/07/26/parcacik-hizlandiricilari-rehberi/

http://institute.tarla.org.tr/tac/YAZOKULU/yazokulu5/dersnotlari/Omer_Yavas1.pdf

https://www.google.com.tr/search?biw=1366&bih=672&tbm=isch&sa=1&ei=kE2aWoHtE4iSsAf_94QI&q=vakum+pomplar%C4

%B1&oq=vakum+pomplar%C4%B1&gs_l=psy-ab.3..0i13k1l2.17324.21170.0.21854.9.8.0.1.1.0.174.942.0j6.6.0....0...1c.1.64.psy-

ab..2.7.947...0j0i67k1.0.iIzx1hE50GM#imgrc=U2shttTLU5f0gM:

40