Radyo frekans parçacık hızlandırıcı için bağdaştırıcı tasarımı, üretimi ve deneyleri
The design, production and testings of a coupler for radio frequency particle accelerator
Yazar: ERSİN ÇİÇEK
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA HİCABİ BÖLÜKDEMİR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bir doğrusal hızlandırıcı bileşeni olan Radyo Frekans Dört kutuplu (RFQ), tasarlandığı ve inşa edildiğinden beri modern hızlandırıcılar arasında önemli bir role sahiptir. Ayrıca, bu hızlandırıcı tipi düşük enerjili hafif iyonların yanı sıra ağır iyonları da yüksek verimlilikte odaklama, bohçalama ve hızlandırma yeteneğine sahiptir. 2015 yılından bu yana, 352,21 MHz çalışma frekansına sahip bir RFQ hızlandırıcı kovuğu, Türkiye Atom Enerjisi Kurumu, Radyasyon ve Hızlandırıcı Teknolojileri Dairesi Başkanlığı'nda bulunan bir proton demet hattı içerisinde tasarlandı, üretildi, birleştirildi ve test edildi. Bu RFQ kovuğu, darbeli kipte proton demetini 1,3 MeV'lik son demet enerjisine kadar hızlandırmak için toplam 120 kW'lık bir RF gücüne ihtiyaç duyar. Bu tez kapsamında, bir RF bağdaştırıcı, RFQ kovuğu için gerekli gücü iletmek üzere Elektron Çığ Oluşumu (EÇO) fenomeni dikkate alınarak yeniden tasarlandı ve üretildi. Eşeksenli tipi bağdaştırıcının tasarımı ve 3-Boyutlu EM benzetimleri bu çalışmanın ilk aşamasında gerçekleştirilmiştir. Bahsedilen bağdaştırıcının temel RF özellikleri harici kalite faktörü, halka anteninde güç kaybı, bağdaştırma katsayısı ve saçılma parametreleridir. Bu özellikler değerlendirildi ve bağdaştırıcının geometrik parametrelerinin en iyileştirilmesi "CST Microwave Studio" ile gerçekleştirildi. Ek olarak, bağdaştırıcıdaki RF vakum penceresi için kullanılabilecek farklı dielektrik malzemeler araştırılmıştır. Ayrıca, EÇO etkisine neden olan RF güç seviyeleri, bağdaştırıcı için benzetimleri gerçekleştirilmeden önce teorik olarak hesaplanmıştır. Daha sonra, "CST Particle Studio" ile bağdaştırıcı için EÇO benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, bir prototip bağdaştırıcının RF tasarımı, üretim hususları ve düşük güç ölçümleri bu tezde sunulmuştur.

Abstract:
Radio frequency quadrupole (RFQ), a linear accelerator component, has an important role among the modern accelerators since it was designed and built. Also, the accelerator type has an ability to focus, bunch and accelerate the low energy light ions as well as heavy ions at high efficiency. Since 2015, an RFQ accelerating cavity operating at 352.21 MHz was designed, manufactured, assembled and tested within a proton beamline located at the Turkish Atomic Energy Authority, Department of Radiation and Accelerator Technologies. The RFQ cavity requires a total RF power of 120 kW to accelerate the proton beam up to a final beam energy of 1,3 MeV in pulsed mode operation. Within the scope of this thesis, an RF coupler was redesigned and manufactured considering the multipacting phenomenon to transmit the essential power for the RFQ cavity. The design and 3D EM simulations of the coaxial type coupler were carried out in the first stage of this study. The essential RF properties of the aforementioned coupler are external quality factor, power loss on the loop antenna, coupling coefficient and scattering parameters. These properties were evaluated and the optimization of the geometrical parameters of the coupler was performed with the "CST Microwave Studio". Moreover, different dielectric materials that could be used for the RF vacuum window in the coupler were investigated. Furthermore, the RF power levels that cause the multipacting effect were theoretically calculated prior to performing simulations for the coupler. Afterward, the multipacting simulations were performed for the coupler by using "CST Particle Studio". In conclusion, the RF design, manufacturing considerations and low power measurements of a prototype coupler are presented in this thesis.