Desy hizlandirici merkezi

SASE X-SEL: FİZİĞİ, PROJELER ve UYGULAMA ALANLARI
Ömer YAVA޹, Şenay YİĞİT^2
1Ankara Üniv. Mühendislik Fakültesi Fizik Müh. Bölümü, 06100 Tandoğan, Ankara

²Türkiye Atom Enerjisi Kurumu, Eskişehir Yolu, 9. km 06530, Ankara,

ÖZET

Kendiliğinden genlik artımlı (SASE) Serbest Elektron Lazeri (SEL) rölativistik bir elektron demetinin salındırıcı (undulatör) magnetten geçirilmesi ile elde edilmektedir. Son yıllarda, IR ve UV bölgesi yanısıra özellikle Sert X-Işını bölgesinde yüksek akı, güç ve parlaklık değerlerine sahip X-SEL projeleri gündeme gelmiştir. Bu tip lazerler için elektron demet enerjisi 1-15 GeV, lazer dalga boyu ise angström mertebesindedir. SASE X-SEL üretimi proje aşamasındadır. Dünyada dalga boyu olarak ~ 1 angström’ü hedefleyen 4 proje sözkonusudur. Bu çalışmada DESY TESLA X-SEL (Almanya), CLIC X-SEL (CERN), Spring-8 X-SEL (Japonya) ve LCLS X-SEL (A.B.D.) projelerinin ana parametreleri, kararsızlık limitleri, bu lazerlerin araştırmada ve endüstride kullanım hedefleri tartışılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Serbest elektron lazeri, Salındırıcı magnet, SASE SEL, TESLA XFEL, LCLS, CLIC XFEL
1. GİRİŞ

Parçacık hızlandırıcılarından magnetler aracılığı ile elde edilen ışınım kaynakları tarihsel gelişim içinde 4 nesilde toplanabilir. Parazitik modda elde edilen 1. nesil ışınımlardan sonra 1970’lerde devreye giren ve sırasıyla 2. ve 3. nesil olarak geliştirilen ve kullanılan ışınım kaynakları sinkrotron halkasında depolanmış 20-100 nm yayınım (emittans) değerlerine sahip rölativistik elektron demetlerinin eğici (bending), salındırıcı (undulatör) ve zigzaglayıcı (wiggler) magnetlerden geçerken ortaya çıkan ışınımlardır. Serbest elektron lazeri ise elektron demetinin (ps, nC) özel geliştirilmiş ve optimize edilmiş salındırıcı magnetlerden geçirilmesi yoluyla elde edilen, sinkrotron ışınımına göre çok daha koherent ve monokromatik, pik parlaklık ve güç değerleri açısından sinkrotron ışınımına göre en az 10⁴ kat daha iyi değerler verebilen 4. nesil ışınımlardır [1]. Serbest elektron lazerleri üç farklı modda üretilebilir: a) Yükselteç (Amplifier) modu: Eldeki bir normal lazer ışınımının salındırıcı ışınımı ile güçlendirilmesi b) Osilatör (Oscillator) modu: Salındırıcı ışınımının iki yana konulmuş aynalarla bir optik kavite içerisinde güçlendirilmesi, c) Kendiliğinden genlik artımlı yayınım (SASE) modu: Elektron demetinin salındırıcı içerisinden bir kez geçirilirken optimizasyonun ışınımın genlik olarak doyuma ulaşacak şekilde yapılması [2]. İlk iki modda teknolojik olarak dalgaboyu olarak 180 nm’nin altına inilemediği için VUV ve özlelikle X-ışını bölgesinde serbest elektron lazeri üretmek için son yıllarda dalga boyu aralığı 0.1nm-100 nm aralığına düşen ve SASE ilkesiyle çalışan ve çalışması planlanan laboratuvarlar kurulmuş ve planlanmaktadır. Bu çalışmada SASE modunda çalışması planlanan ve X-ışını bölgesinde dalga boyuna sahip olacak 4 farklı SASE X-SEL projesi, SASE SEL’in tasarım öngörüleri ile birlikte tartışılacaktır. Burada tartışılacak olanlarla birlikte planlanan diğer X-SEL projeleride mevcuttur. Bunlara ilişkin dalga boyu aralıkları Tablo 1’de verilmiştir.

2. SASE SEL’İN FİZİĞİ

Lorentz faktörü γ olan rölativistik bir elektron demeti, kutup aralığı λ_u, ve kuvvet parametresi K olan bir salındırıcı (undulator) magnetten geçirilmesi ile elde edilen serbest elektron lazerinin dalga boyu, N_e tane elektrondan koherent ışınım yayınımının olduğu ele alınarak, (1)

şeklinde yazılabilir. Burada salındırıcı parametresidir. Kendiliğinden radyasyon yayınımının olduğu durumda iken her elektron tarafından üretilen alan arasında korelasyon yoksa, yayınlanan koherent fotonların toplam sayısı ile hasaplanır burada  ince yapı sabitidir. Bu sebeple, koherent fotonların sayısı elektronların sayısının % 1’idir. Eger bütün elektronlar radyasyonun dalgaboyu ile uyumlu ise fotonların sayısı N_e faktörü ile artacaktır. Paketçik parametresi bir mertebesindeyken artış doyuma gider. Işınım doyum şiddet değeri yaklaşık olarak

(2)

şeklinde verilir. z salındırıcı boyunca uzunluk parametresidir. Işınımın kazanç uzunluğu (foton yoğunluğunun e kat arttığı uzunluk),

(3)

olarak verilir, burada  serbest elektron lazer parametresidir ve,

(4)
şeklinde tanımlanır, Burada, salındırıcının peryodiklik frekansı, demet plazma frekansı, n_e elektron yoğunluğudur. SASE durumunda, doyuma yaklaşık 20 L_G uzunluğunda ulaşılır ve doyumdaki ışınımın enerjisi yaklaşık N_eE_demet’dir. Doyum durumunda iken elektron başına fotonların sayısı N_doyum=E_demet/E_foton ifadesi ile verilir.
SASE SEL’in kararlılığı için, salındırıcı uzunluğunun kazanç uzunluğundan büyük olması ve aşağıda verilen limit değerlerinin sağlanması gerekir [3].

1. 
   Enine demet emittansı dalgaboyundan küçük olmalıdır,
   

(5)

2. 
   Demet enerji yayılımı serbest elektron lazeri parametresinden küçük olmalıdır,
   

(6)

3. 
   Kazanç uzunluğu Raleigh ışınım uzunluğundan kısa olmalıdır,
   

(7)
burada Raleigh uzunluğu, olarak tanımlar, _o ışınımın demet çapıdır.
Kararsızlık koşulu olarak, a) koşulu elektron demetinin yayınımın enine faz uzay karakteristikleri ile uyumlu olması gerektiğini söyler. b) koşulu demet enerji yayınımını sınırlar. c) koşulu kırınım ile kaybedilenden demet tarafından üretilen çok fazla ışınım gerektirir. a) ve c) koşulları demet çapına ve ışınım dalgaboyuna bağlıdır

Enine koherentlik koşulu, elektron demetinin enine emittansı _t ışınımın dalga boyu arasında önemli bir ilişki ortaya koyar [3,4].

(8)

burada _tⁿ normalize emittansdır. Örneğin  = 6 nm,  = 2000 için _tⁿ < 1  mm mrad olması gerekir.

Yüksek akı ve parlaklık değerleri sağlayan SASE prensibi salındırıcı magnet ve elektron demeti parametrelerinin çok uyumlu olarak optimize edilmesini gerektirir.

Serbest elektron lazerinin ortalama gücü,

ile verilir. Burada L_u salındırıcı magnetin boyu, I_e elektron demetinin akımı, E_e elektron demetinin enerjisi ve B_u salındırıcı magnetin kutupları ararsındaki magnetik alanın pik değeridir. Gücün pik değeri için üst limit sinkrotron ışınımında 10 W civarında iken SEL için bu değer düzeneğe bağlı olarak 10-10 W mertebesine ulaşabilmektedir. Ortalama tipik güç değerleri ise kW mertebesindedir.
Serbest elektron lazerinin akısı,

(9)

ilk harmonik ışımanın frekansı, salındırıcı kutuplarının sayısı ve n harmoniklerin mertebesidir.
Serbest elektron lazerinin doğal band genişliği n. harmonik için ile verilir. Spektral parlaklığın ortalama değerleri 10²¹-10²⁴ mertebesinde iken SASE SEL projelerinde bu değer 10³⁴ değerlerine kadar yükselebilir.

3. 
   SASE X-SEL PROJELERİ
   

3.1. SCSS X-SEL Projesi (Japonya)
SCSS projesi Japonya’da bulunan Spring-8 ışınım laboratuvarında geliştirilmiştir (Spring-8 Compact SASE Source) [5]. Yüksek güce sahip VUV ile X-ışını bölgesinde lazer üretimi planlanmıştır. 0.5-1 GeV enerjili düşük emittanslı elektron demeti kullanılacaktır. Projede öngörülen üç anahtar teknoloji tek kristal CeB₆ katoda sahip, 500 kV’luk termiyonik atmalı (puls) elektron tabancası, yüksek gradyentli (40 MV/m) C-band (5712 MHz) RF sistem, yüksek vakum altında ve küçük kutup periyoduna sahip salındırıcı magnet olarak sıralanabilir [5]. 2006 yılında işletmeye alınması planlanan projenin şematik görünümü Şekil 1’de, projeye ilişkin ana parametreler ise Tablo 2’de verilmektedir [6,7].
3.2. TESLA X-SEL Projesi (Almanya)
TESLA projesi DESY, Hamburg (Almanya)’da kurulması planlanan 500 GeV kütle merkezi enerjili

bir elektron-pozitron projesidir [8]. TESLA X-SEL projesi ise temel olarak bir enjektör, 20 GeV’lik süperiletken kavite kullanan bir elektron lineer hızlandırıcısı, 5 farklı undulator magnet ve 10 deneysel istasyonu içermektedir. X-SEL dalga boyu 0.1-6.4 nm ve enerjisi ise 0.2-12.4 keV aralığında değişmektedir. 0.086 nm’lik dalga boyu seçeneğide mevcuttur. Puls süresi 100 fs mertebesindedir. Uygulama alanları olarak ise yoğun madde fiziği, kimya, mazleme bilimi ve yapısal biyoloji olarak seçilmiştir. TESLA projesine ve buna dayalı X-SEL

(The European X-Ray Laser Project XFEL) projesinin Teknik Tasarım Raporu (TDR) 2001 yılında yayınlanmış [9] ve XFEL projesinin öncelikle yapımı 685 Milyon Euro’luk bir proje olarak Alman hükümetince 2003 yılında onaylanmıştır. TESLA’da kullanılacak süperiletken Nd RF kavitelerin test edilmesi amacıyla kurulan Tesla Test hızlandırıcısı (TTF) ile 2002 yılı şubat ayında 109 nm’lik SEL dünyanın ilk SASE SEL’i olarak çalışmıştır. TESLA X-SEL projesinin yapımı 2004-2011 yılları arasında yapılacak ve tam kullanıma ise 2012 yılında alınacaktır. TTF SEL ve TESLA X-SEL’in LCLS SEL ve diğer sinkrotron ışınım kaynaklarına göre konumu ışınım enerjisinin pik parlaklığa göre değişimi ele alınarak Şekil 2’de verilmiştir. TESLA X-SEL projesi için elektron demeti ve elde edilecek X-SEL’ler için ana parametreler Tablo 3’te verilmiştir.


3.3. LCLS X-SEL Projesi (USA)
LCLS X-SEL projesi Stanford Lineer Hızlandırıcısına dayalı bir projedir. 1992’de ilk projelendirmesi yapılmıştır. Tasarım raporu 1998’de yayınlanmıştır [10]. Elektron demeti, undulator magnet ve elde edilecek X-SEL’in ana parametreleri tablo 4’te verilmiştir.

Bu projeyle elde edilecek lazer ışını sıradan bir lazere göre 10 milyar kat parlak olacaktır. Bu lazer ışını ile atom ve kuantum fiziği araştırmaları, femtokimya, ultra-hızlı reaksiyonlar, yoğun madde fiziğinde nano-skalalı dinamik süreçler, tek paracık ve biyomoleküller üzerindeki yapısal çalışmalar, plazma ve sıcak yoğun madde, x-ışını fiziği çalışmaları gerçekleştirilecektir. Proje 2006-2009 yılları arasında 300 milyon $ harcanarak inşa edilecektir.

3.4. CLIC X-SEL Projesi (CERN)
Compact Linear Collider (CLIC), CERN’ün kütle merkezi enerjisi 3 TeV olacak şekilde planlanmış bir elektron-pozitron çarpıştırıcı projesidir. CLIC hızlandırıcısının elektron demeti 15 GeV enerji ile kullanılarak LCLS benzeri bir X-SEL projesi düşüncesi geliştirilmiştir [12]. CLIC’in enerji yayılım değerinin büyüklüğü dışında halledilmesi gereken ciddi bir problem görülmemektedir. 150.10^-4 olan bu değerin en az 10^-3 değerlerine çekilmesi gerekir. Projenin geliştirme çalışmaları sürmektedir. Elektron demeti, undulator magnet ve X-SEL parametreleri tablo 5’te verilmektedir.
X-SEL projelerinin dalgaboyu-pik parlaklık dağılımı

3. nesil ışınım kaynaklarına göre şekil 2’den de görüldüğü gibi çok yukarılarda yer almaktadır. Şekil 3 ise TESLA X-SEL, LCLSS ve SCSS projelerinin yıllar içinde ulaşacağı dalgaboylarını vermektedir. Şekil 4 SASE SEL projelerinin dalga boyu ve yıllar açısından gelişimini vermektedir.

3. 
   X-SEL UYGULAMA ALANLARI
   

Serbest elektron lazerleri, gerek temel ve uygulamalı araştırmalarda, gerekse endüstriyel ve teknolojik uygulamalar gibi çok geniş bir alanda uygulama alanı bulmaktadır [13, 14]:

- Atomik ve moleküler spektroskopi

- İyon demetlerinin spektroskopisi

- İyonlaşmış gaz ve plazma spektroskopisi

- Atomik ve moleküler grup spektroskopisi

- Katıhal spektroskopisi

• 
  Yüzey ve ince filim fizik ve kimyası
  
• 
  Fotokimyasal süreçlerin incelenmesi
  

- Biyolojik yapılar ve bunların dinamiği

- Malzeme ve yüzey işleme

- Çok tabakalı mağnetik filimler

- Yarı iletkenlerin elektronik yapıları

- Ağır fermiyon metalleri

- Yüksek sıcaklık süperiletkenliği

- Katıhal reaksiyonlarının dinamiği

- X-ışını mikroskopisi ve mikro-spektroskopi

- Spektro-mikroskopi

- Atomların ve iyonların tekli ve çoklu foton

uyarılma dinamiği

- Serbest iyonlarla etkileşme

- Foton kaynaklı atomik frekans ve atomik çift

oluşumu

- Lazerle uyarılmış ve dizilmiş atomların

incelenmesi

- Çoklu foton süreçleri

- Grup ve radikal spektroskopisi

- Elektronik yapıların incelenmesi

- Fotokimyada ve yüzey biliminde reaksiyon ve

gevşeme dinamiği

- Yüzeylerde reaksiyon kinetiği

- Uyarılmış katıların yüksek çözünürlüklü

fotoelektron spektroskopisi

- Mağnetik malzemeler ve ışık altında çok renklilik

- Lineer olmayan magneto-optik

- Floresans spektroskopisi

- Elektron atmalarının yoğun madde ile etkileşmesi

- Kuvvetli elektrik ve magnetik alanların madde ile

etkileşmesi

- Lineer olmayan optik

- Lineer olmayan X-ışını optiği

- Yoğun X-ışını kaynağı olarak geçiş ışıması
5. SONUÇ VE TARTIŞMA
Fiziği, teknolojisi ve uygulama alanları dikkate alındığında sonuçları açısından SEL ve X-SEL konusunda ulaşılacak nokta 2010’lu yıllardan itibaren bu günden öngörüleninde ötesinde küçük ve hızlı süreçlerin incelenmesine olanak sağlamakla 21. yüzyıl biliminde yepyeni bir pencere açacak ve X-SEL’ler belki boyutlarıda çok küçültülerek günlük hayattaki yerini alacaktır. Gelecek bu tür uygulamaları başarabilen ülkelerin olacaktır. Bu açıdan bakıldığı zaman Ulusal Hızlandırıcı Kompleksi (TAC) projesinde SASE SEL’e yer verilmesi çok yerinde bir tercih olmuştur.

TEŞEKKÜR
Bu çalışma DPT2002K120420 ve DPT2003K120190 Nolu projeler tarafından desteklenmiştir.

Merkez	SEL	Dalgaboyu (Å)
DESY	TESLA X-FEL	0.85-64
SLAC	LCLS	1.5-15
MIT	X-Ray FEL	3-1000
FERMI	ELETTRA	12-15
BESSY	SASE-FEL	12-600
INFN Roma	SPARX	13-135
Spring-8	SCSS	36
Daresbury	4GLS	124
ANL	LEUTL	3850

Tablo 1. X-SEL projeleri.

Parametre__Sembol__Birim__Değer'>Parametre	Sembol	Birim	Değer
Demet enerjisi	E	GeV	1
rms Enerji yayılımı	ΔE/E	%	0.02
Paketçik yükü	Q	nC	1
Normalize emittans	εn,xy	mm mrd	2π
Paketçik uzunluğu	σz	mm	0.15
Pik akım	ip	kA	2
Undulator periyodu	λu	mm	15
Min. Gap uzunluğu	g	mm	3.7
K güç parametresi	K	-	1.3
Birim und. uzunluğu	Li	m	4.5
Undulator uzunluğu	Lu	m	22.5
SEL dalga boyu	λSEL	nm	3.6
SEL parametresi	ρ	-	8.9∙10^-4
Kazanç uzunluğu	Lg	m	0.94
Güç doyum uzunl.	Lsat	m	20
Doymuş güç değeri	Psat	GW	2.0

Tablo 2. SCSS X-SEL Parametreleri

Elektron Demeti	Sembol	Birim	Değer
Demet enerjisi	E	GeV	10-20
Rms Enerji yayılımı	σE	MeV	2.5
Paketçik yükü	Q	nC	1
Normalize emittans	εn,xy	mm mrd	1.4
Paketçik uzunluğu	σz	fs	80
X-SEL	SASE 1	SASE 2	SASE 3
Foton enerjisi [keV]	12.4-4.0	12.4-3.1	3.1-0.2
Dalgaboyu [nm]	0.1-0.31	0.1-0.4	0.4-6.4
Pik güç [GW]	24	22	100-135
Ortalama güç [W]	72	66	300-800
Lazer yayılımı, μrad	0.8	0.8	3-27
Bandgenişliği [%]	0.09	0.08	0.3-0.73
Puls süresi [fs]	100	100	100
Puls başına foton	1,2.10^12	1,1.10^12	20-430.10^12
Ortalama akı [x10^16]	3.6	3.3	60-2600
Pik parlaklık [x10^33]	5.4	5.4	1.7-0.06
Ort. Parlaklık[x10^25]	1.6	1.6	0.5-0.03

Tablo 3. TESLA X-SEL Parametreleri

Elektron Demeti	Değer	Birim
Demet enerjisi	14.3	GeV
Pik akım	3.4	kA
Normalize emittans	1.5	mmmrad
Enerji yayılımı	0.006	%
Paketçik uzunluğu	67	fs
Salındırıcı Magnet
Undulator periyodu	3	cm
Undulator uzunluğu	100	m
Undulator alanı	1.32	T
Undulator kutup (gap) aralığı	6	mm
X-SEL
Dalgaboyu	0.15	mm
SEL parametresi, ρ	5.10^-4
Kazanç uzunluğu	11.7	m
Saniyede puls sayısı	120
Pik güç	9	GW
Pik parlaklık	10^33
Ortalama parlaklık	4.10^22
Şiddet dalgalanması	8	%
Band genişliği	2.10^-4

Tablo 4. LCLS X-SEL Parametreleri

Parametre	Değer	Birim
Elektron demet enerjisi	15	GeV
Enerji yayılımı (ΔE/E)	150.10^-4
Normalize emittans (εx/ εy )	0.6/0.01	μm rad
Paketçik uzunluğu	35	μm
Pik akım	2.7	kA
Undulator periyodu	30	mm
Undulator parametresi, K	2.758
Pik magnetik alan	0.985	T
X-SEL dalga boyu	0.15	nm

Tablo 5. CLIC X-SEL Parametreleri

Şekil 1. SCSS X-SEL’in şematik görünümü

Şekil 2. 3. Nesil sinkrotron ışınımına göre SEL ve X-SEL projelerinin enerji-parlaklık açısından konumu

Şekil 3. 0.1 nm dalgaboyunu hedefleyen X-SEL projelerinin yol haritası

Şekil 4. SEL ve XSEL projeleride dalga boyunun yıllara göre gelişim .

KAYNAKÇA
[1] E. L. Saldin, E. A. Schneidler and M. V. Yurkov, The Physics of Free Electron Lasers, Springer-Verlag, Berlin (2000)

[2] F. Ciocci, G. Dattoli, A. Torre, A. Renieri, Insertion Devices for Synchrotron Radiation ad Free Electron Laser, World Scientfic (2000)

[3] C. Pellegrini, Design considerations for a SASE X-ray FEL. NIMA 475 (2001) 1.

[4] P. Emma, Accelerator Physics Challange of X-ray FEL SASE Sources, Proc. of EPAC 2002, Paris. p. 49.

[5] http://www-xfel.spring8.or.jp

[6] T. Shintake et al. Status of Spring-8 Compact SASE Source FEL Project, NIMA 507 (2003) 382.

[7] T. Shintake, Soft X-ray SASE FEL Project at Spring-8 Japan. 2nd Asian Part Accel. Conf. APAC’0, Sept. 17-21,2001. Beijing, China.

[8] http://tesla.desy.de , http://xfel.desy.de

[9] R. Brinkmann et al. TESLA TDR (2001)

[10] LCLS Design Study Report, Report SLAC-R-521 (1998)

[11] http://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/

[12] M. Brandin et al. Study of the feasibility of an X-ray free electron laser with 15 GeV CLIC Beam. CLIC Note 543, CERN (2002)

[13] G. Dattoli et al. CERN 90-03, Geneva (1990) 254

[14] Synchrotron Radiation Techniques in Industrial, Chemical and Material Sciences, Eds. K. L. D’Amico, L. J. Terminello and D. K. Shuh, Plenum Press, New York and London (1996)