İçe girintili ve dar aralıklı klaystron kavitesinin eşdeğer devre özellikleri ve kalite faktörü

Abstract

1930?lu yıllardan başlayarak günümüze kadar gelen mikrodalga üreteçlerindeki gelişmeler doğrultusunda yenilenen kavite geometrileri, kavite yapımında kullanılan malzemeler, bu malzemelerin iletkenlik özellikleri ve mikrodalgaların yüksek frekanslara ulaşılabilirliği sorun yaratabilecek unsurlardır. Frekans ve kayıp değerlerini hesaplamada, kullanılan malzemelerin çeşitliliğini belirlemede ve tüm bu parametrelerin etkilediği kavite kalite faktörünü hesaplamada zorluklarla karşılaşılmaktadır. Ayrıca, bu tur üreteçlerde soğutma probleminden dolayı rezonatörün Q kalite faktörünü istenilen değerde tutmak da zorluk yaratmaktadır. Bu nedenle, modern hızlandırıcılarda, Q değerinin önceden bilinmesi alet tasarımına yardımcı olan ve istenen bir özelliktir. Bu zorluğu ortadan kaldırarak daha etkili bir kullanım için rezonans eğrisinin belirli bir genişlikte olması ve buradan sapmaların önlenmesi istenmektedir. Tüm bu sorunların çözümünü kolaylaştırmak adına 1970?li yıllardan başlayarak çeşitli bilgisayar programlama kodları geliştirilmiştir. Bu kodlar sayesinde analitik hesaplamalar ile simülasyon sonuçları karşılaştırılarak kavitenin yapım ve işletim aşamasında daha az sorunla karşılaşmak amaçlanmıştır. Bu kodlardan en temeli olarak SUPERFISH programı geliştirilmiştir. Bu bilgisayar kodu sayesinde en basit geometrili bir klaystron kavitesinden günümüzde araştırma, savunma, medikal, uydu ve radar alanları gibi çeşitli amaçlar için kullanılan bir çok farklı kavitenin frekans ve geometrik şekil belirlenmesi ve bu parametrelere bağlı olan kalite faktörü (Q) değerinin hesaplanması ve optimizasyonu oldukça kolaylaşmış ve elde edilen sonuçlar daha güvenilir hale gelmiştir. Bu doğrultuda, bu tezde kavitelerdeki gelişmelerin anlaşılması için en temel kavite çeşiti olan klaystron kavite geometrisi ele alınmış, kalite faktörü hesaplamaları yapılmış ve elde edilen bu analitik sonuçlar SUPERFISH programlama kodu ile yapılan sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada, ele alınan geometrik şeklin, ? rezonans frekansını bulmamıza izin verdiği görülürken, duvar malzemesinin iletkenlik özelliklerinin de Q?nun en temel belirleyicisi olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Along the progress made in microwave generators starting from 1930s till today, renewed cavity geometries, their materials, their conductivity properties and carrying the microwaves to higher frequencies can cause to problems. Difficulties may arise in calculating the frequency and loss values, in choice of materials and in the calculation of quality factor which is affected by all these parameters. On the other hand, in such generators because of cooling problems, it is difficult to keep the quality factor Q at a certain value. Therefore, in modern accelerators, knowledge of Q value is desirable since it helps the accelerator design. To remove these difficulties and get a better performance, it is wanted that the resonance curve have a certain width and have no deflections from it. In order to ease the problems, various computer-programming codes have been developed since 1970s. It is aimed to have fewer problems during the cavity manufacture and operation of the cavity by comparing analytical calculations and simulation results of these codes. SUPERFISH is the most basic code in this area. With this code, starting from a klystron cavity of simplest geometry to many different cavities which are used today for various purposes such as research, defense, medical, satellite and radar applications, determining their frequency and shape, their quality factor Q calculation and their geometrical shape optimization have become rather easy and the obtained results have become more reliable. Along this direction in this thesis with the purpose of understanding the progress made in cavities, the basic klystron cavity geometry has been chosen, its quality factor has been calculated and the results of analytical calculations have been compared with those obtained from SUPERFISH code. It is found that while the geometric shape allows the calculation of resonance frequency ?, the conductivity properties of the wall materials plays the major role in determining the Q.