Serbest elektron hızlandırıcılarında demet hattı tasarımı ve demet dinamiği
Beam line design and beam dynamics at free electron accelerators
Yazar: DİLAVER PORSUK
Danışman: PROF. DR. HATİCE YILDIZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Hızlandırıcılar = Accelerators ; Kavite = Cavity ; Süper iletkenler = Superconductors

Özet:
Farklı alanlarda kullanılmak üzere geliştirilen lineer parçacık hızlandırıcıları yüksek akımlı, enerjili ve düşük yayınımlı elektron demetleri gerektirir. Süperiletken malzemelerin hızlandırıcı kavite üretiminde kullanımıyla yüksek verimlilikte sürekli dalga modunda çalışan kavitelerin kullanımı yaygınlaşmıştır. Enjektör hattı içerisinde birkaç MeV enerji değerine kadar hızlandırılan parçacık demetleri kullanılan magnetlerle kontrol edilerek minimum kayıp ve düşük yayınımla süperiletken linaklara aktarılmaktadır. Lineer hızlandırıcı hattı boyunca çok hücreli kavitelerde enerji kazanan ve mıknatıslar tarafından kontrol altında tutulan parçacık demetleri, hızlandırıcı hattının sonunda kararlı demet boyutu ile GeV gibi yüksek enerji seviyelerine ulaştırılmaktadır.
Tez kapsamında bir lineer elektron hızlandırıcı hattında elektronların üretildiği katot sistemlerinden başlayarak ~3 GeV enerji değerlerine kadar hızlandırıldığı demet hattının tasarımına ve hızlandırıcı hattı boyunca demet dinamiği çalışmalarına yer verilmiştir. Özellikle elektronların enerji kazanımı sağladığı süperiletken eliptik kaviteler, 1.3 GHz çalışma frekansında sürekli dalga modda çalışacak şekilde tasarlanmış ve elektromanyetik alan dağılım simülasyonları yapılmıştır. Kavitelerde enerji kazandırılan rölativistik hızlardaki parçacık demetlerinin kontrolü için magnet sistemleride tasarlanmıştır. Elektron demetlerine etkiyen hızlandırıcı sistem bileşenlerindeki alan dağılımları ve demetin bu alanlarla olan etkileşimlerini içeren demet dinamiği çalışmaları sonucu düşük yayınımla (~2 π mm mrad) yüksek enerji kazanımı gerçekleştirilmiştir. Enjekör hattında, 1.4, 1½, 1.6, 1.8-hücreli SC kavite sistemleri çalışılarak yeni SRF tabanca sistemleri geliştirilmiştir. Tüm kaviteler için farklı optimizasyon çalışmalarıyla, tasarım sonrası simülasyon sonuçları dünya genelinde bu alanda yapılan çalışmalar ile karşılaştırılmış, en uygun demet hattı oluşturulmuştur. Özellikle 1.4 ve 1.8 hücrelik SRF tabanca kavite ve demet dinamiği çalışmaları dünyada ilk defa bu tez kapsamında çalışılmıştır. Bu tez, önümüzdeki yıllarda ülkemizde kurulması planlanan lineer hızlandırıcı tesisi için detaylı rapor niteliğindedir.

Abstract:
Linear particle accelerators developed for use in different applications require electron beams with high current, energy and low emission. With the use of superconducting materials in accelerator cavity manufacturing, the use of linac cavities operating in high efficiency continuous wave mode has become widespread. The use of photocathode electron sources in the injector line facilitates obtaining high brightness, low emission beams. Particle beams accelerated up to a few MeV energy values in the injector line, are controlled by the magnets used and transferred to superconducting linacs with minimum loss and low emittance. Particle beams, which gained energy through the multicell cavities and kept under control by using magnets along the linear accelerator beam-line, can reach high energy levels such as GeV, at the end of the accelerator exit, with stable beam size.
Within the context of this thesis, begining from the cathode systems where electrons are extracted, design of the beam line where the acceleration process is carried out up to the energy values of ~3 GeV and beam dynamics studies along the beam-line are included. Especially, superconducting elliptical cavities, in which electrons gain energy, are designed to operate in cw mode at 1.3 GHz operating frequency and electromagnetic field distribution simulations are done. Magnet systems are also designed to control particle beams at relativistic speeds that gain these energies in the cavities. As a result of the beam dynamics studies including the field distributions in the accelerator system components acting on the electron beams and the interaction of the beam with these fields, high energy gain was achieved with low emittance (~2 π mm mrad). In the injector line, new SRF gun systems were developed by studying 1.4, 1½, 1.6, 1.8-cell SC cavity systems. With different optimization studies for all cavities, the most suitable beam line was constructed by comparing the post-design simulation results with the studies carried out in this field around the world. Particularly, 1.4 and 1.8 cell SRF gun cavity and beam dynamics in these cavities were studied for the first time in the world within the scope of this thesis. In this regard, this thesis is a detailed report for the linear accelerator facility planned to be established in our country in the coming years.