Küresel kavite kullanılarak mikrodalga yöntemi ile hacim belirlenmesi
Determination of volume by microwave method using spherical cavity
Yazar: ELİF AVİNCA
Danışman: PROF. DR. BULAT RAMİ ; DR. CAFER KIRBAŞ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
SI termodinamik sıcaklık birimi olan kelvin'in yeni tanımı sıcaklık ile enerji arasındaki ilişkiyi kuran Boltzmann sabiti (k_B) üzerinden gerçekleştirilmektedir. Akustik Gaz Termometresi (AGT), düşük yoğunluklu monoatomik gaz (ideal gaz) içinde mutlak ses hızının mutlak sıcaklıkla olan ilişkisini temel almakta olup termodinamik sıcaklık ölçümlerinin yapılmasına imkan vermektedir. Boltzmann sabiti AGT yöntemiyle en yüksek doğrulukta belirlenmiştir. AGT, yönteminde esas olarak ölçülen büyüklük ses hızıdır. Küresel kavite (oluk) içinde oluşan akustik rezonans frekansları üzerinden ses hızı ölçülerek monoatomik gaz içindeki sıcaklık yüksek doğrulukla belirlenebilmektedir. Ses hızının yüksek doğrulukta belirlenebilmesi için kavite hacminin dolayısıyla kavite yarıçapının yüksek doğrululukla bilinmesi gerekmektedir. Küresel kavitenin hacmi, termal genleşme nedeniyle sıcaklığa bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Küresel rezonatördeki hacim ve değişiminin sıcaklığa bağlı olarak belirlenmesinde kullanılan yöntemlerden biri mikrodalga kavite rezonanslarıdır. Küresel kavitede oluşan duran mikrodalga rezonansları yüksek doğrulukta ölçülerek rezonatör yarıçapı ve hacmi istenilen hassasiyet düzeyinde bulunabilmektedir. Bu tez çalışmasında, mikrodalga ölçümleri kullanılarak küresel kavite yarıçapını ve hacmini yüksek doğrulukta belirlenmesi gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan giriş-çıkış antenlerle çelik malzemeden imal edilmiş küresel kavite içerisinde oluşan duran elektromanyetik dalgaların Elektrik (TM) ve Manyetik (TE) modlarının rezonans frekansları ölçülmüştür. Ölçülen mikrodalga rezonanslar üzerinden küresel kavitenin hacmi belirlenmiştir. Küresel kavite boyutları aynı zamanda farklı bir yöntem olan Koordinat Ölçüm Sistemi (Coordinate Measurement Machine, CMM) kullanılarak ölçülmüştür. Mikrodalga ve CMM yöntemleri ile elde edilen kavite boyutu sonuçların karşılaştırılması ve değerlendirilmesi yapılmıştır. Mikrodalga tekniği ile küresel hacminin sıcaklığa bağlı olarak değişiminin belirlenmesine yönelik ölçümler gerçekleştirilmiş ve ölçüm sonuçları değerlendirilmiştir.

Abstract:
The new definition of kelvin, the SI unit of thermodynamic temperature, relies on the Boltzmann constant (k_B), establishing the relationship between temperature and energy. The Acoustic Gas Thermometer (AGT), which is based on the relationship between the absolute speed of sound and the absolute temperature in a low-density monatomic gas (ideal gas), allows measurements of the thermodynamic temperature. Among various methods, used to determine the Boltzmann constant, the highest accuracy is provided by the AGT method. In the AGT technique, the primarily measured quantity is the speed of sound. By measuring the speed of sound by the acoustic resonance frequencies in the spherical cavity, the temperature in the monatomic gas can be determined with high accuracy. For determining the speed of sound with high accuracy, the volume of the cavity and, therefore, the radius of the cavity must be known with high accuracy. The volume of the spherical cavity varies depending on the temperature due to thermal expansion. One of the methods used to determine the spherical resonator volume and its change with temperature is the measurements of microwave resonances. By high-accuracy measurements of the resonances of the standing microwave wave formed in the spherical cavity the radius and volume of the resonator can be found at the desired accuracy level. In this thesis, high-accuracy measurements of spherical cavity radius and volume were performed by microwave technique. With aid of designed input/output antennas, the resonance frequencies of the Electric (TM) and Magnetic (TE) modes of the electromagnetic wave formed in the spherical cavity made of steel material were measured. The volume of the spherical cavity was determined from the measured microwave resonances. The spherical cavity was also measured using a different method, the Coordinate Measurement Machine (CMM). The results obtained by microwave and CMM methods were compared and evaluated. Using the microwave technique, the measurements were made to determine the change in the spherical volume depending on temperature, and the measurement results were evaluated.