TAEK Proton Hızlandırıcı Tesisi Ar-Ge odasında proton demeti ile malzeme bilimi uygulamaları için demet iletim hattı ve deney istasyonu tasarımı
A design study on beamline and experimental station for the proton beam applications in material science at TAEA Proton Accelerator Facility R&D irradiation vault
Yazar: ALPER NAZMİ YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. ÖMER YAVAŞ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Parçacık hızlandırıcılar = Particle accelerators

Özet:
Bu çalışmada; Türkiye Atom Enerjisi Kurumu Proton Hızlandırıcı Tesisi (TAEK-PHT) Ar-Ge ışınlama odasında gelen proton demetinin enerjisinin 2 ile 30 MeV arasında ayarlanabildiği, pikoamper seviyesindeki akım değerlerine inilebilen, vakum ortamında çalışan ve tam otomatik bir düzeneğin tasarımı anlatılmaktadır. Günümüzde düşük akımlı demetler radyasyon dayanım testlerinden, PIXE, RBS, PIGE ve PESA gibi yüklü parçacık demeti uygulamalarına dayalı tahribatsız malzeme analizlerine kadar pek çok araştırma alanında kullanılmaktadır. TAEA-PHT'deki siklotron özellikle radyoizotop üretimi için tasarlandığından, hızlandırıcıdan elde edilen demetin enerjisi ve akımı bahsedilen uygulamaları doğrudan gerçekleştirebilmek için yeterli değildir. Bu sebeple mevcut Ar-Ge demet hattının sonuna monte edilmek üzere; bir enerji düşürücü sistemi, enerji ölçüm sistemi, kolimatör bütünü, deney/ışınlama odacığı ve Faraday kabından oluşan bir düzenek tasarlanmıştır. Enerji düşürücü sistemin tasarımı sırasında farklı enerji düşürücü folyo ve kolimatör konfigürasyonlarının hedef düzlemindeki demet enerjisi, enerji yayılımı, demet akısı ile demet akısı homojenliği üzerine etkileri araştırılmıştır. Gelen proton demetinin akım değerine ve ışınlama süresine bağlı olarak enerji düşürücü sistemi üzerindeki sıcaklık artışı ve radyo-aktivasyon miktarları hesaplanmıştır. Demet enerjisini ölçebilmek için tasarımda Si(Li) dedektöre dayalı bir enerji ölçüm sisteminin yer alması öngörülmüştür. Işınlama odacığı, demet karekterizasyonu ve numune tutmak/değiştirmek amacıyla kullanılacak donanımların yanı sıra, dedektörler ve ilgili ölçüm üniteleri ile pnömatik silindirler, servo-motor ve vakum bileşenleri için gereken bağlantı portlarını içermektedir. İlaveten bir Faraday kabı ile ilgili hassas elektronik ünitesi tasarlanarak, üretilmiş ve test edilmiştir. Söz konusu Faraday kabı ve hassas elektroniği ile pikoamper seviyesindeki demet akımları başarılı bir şekilde ölçülerek tasarımın validasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmayla; ülkemizdeki üniversitelerin, devlet kurumlarının ve sanayi kuruluşlarının ihtiyaç duyabileceği birçok ışınlama uygulaması için kullanılabilecek önemli bir altyapının tasarımı ortaya konmuştur.

Abstract:
This thesis describes the studies carried out in Turkish Atomic Energy Authority Proton Accelerator Facility (TAEA-PAF) R&D irradiation vault to design a fully automated and in-vacuum irradiation set-up capable of adjusting proton beam energy between 2-30 MeV with beam currents down to picoamperes. The low current beams may be used for a wide range of research including radiation damage testing and non-destructive material analysis with ion beam applications such as PIXE, RBS, PESA and PIGE. The energy and current of the beam extracted from TAEA-PAF cyclotron are not suitable to perform aforementioned applications since the accelerator is primarily designed for medical radioisotope production. The additional set-up including an energy degrader system, an energy measurement system, a collimator assembly, an irradiation chamber and a Faraday cup was designed to be connected to end of the existing R&D Beamline in order to adjust the beam parameters as required. The effects of different degrader foil and collimator configurations on the beam energy, energy spread, beam fluence and beam fluence homogeneity at the target plane were investigated for the design of the energy degrader system. Temporal thermal behavior and activation of degrader system were analyzed depending on the beam current and irradiation time. The design includes an energy measurement system with a Si(Li) detector for the beam energy measurement. The irradiation chamber includes equipment for beam characterization and sample manipulation and connection ports for detectors and related measurement units, pneumatic cylinders, servo-motor and vacuum components. A Faraday cup and related low noise electronics were designed, manufactured and tested. Picoampere range beam current was measured successfully with the Faraday cup and related electronics for design validation. In this study; the design of an important infrastructure for many irradiation applications needed by the universities, government agencies and the industry in our country is completed.