Elliptical cavity designs, fabrications and experiments to investigate cell misalignment and surface roughness effects

Abstract

In this thesis, the results of 5 different elliptical cavity designs at different cell numbers and frequencies and the fabrication and measurement of two of these are presented in order to investigate the effects of cell alignment error and surface roughness. First, a 9-cell, 3.9 GHz elliptical cavity with very poor cell-to-cell coupling is designed and the acceleration parameters are optimized. Thanks to the low cell-to-cell coupling, it is aimed to better observe possible mechanical defects and the effects of cell alignment errors in this cavity on the fundamental cavity parameters and particle-cavity interaction are investigated using CST-MWS program. In addition, the effect of surface roughness of the cavity on wake fields and impedances is among the parameters that are tried to be observed. Second, a 3-cell 2 GHz cavity and its scaled version, 3-cell 3.9 GHz cavity, are designed to demonstrate that the effects of cell misalignment were not limited to only this geometry, and similar simulations are repeated for these cavities. In the experimental part of the thesis, a 3-cell 3.9 GHz elliptical cavity with high cell-to-cell coupling is designed and fabricated with a 3D printer and made conductive by nickel and copper coating techniques. Then, the effects of cell misalignment on the quality factor and the electric field on the acceleration axis are investigated experimentally. For these processes, bead-pull measurement is utilized in addition to weak and critical coupling measurements. In the last part, a 2.45 GHz single cell aluminum cavity is fabricated, the same experiments are repeated and it is experimentally demonstrated that similar effects can also be observed with higher conductivity values.

Bu tezde, hücre hizalama hatası ve yüzey pürüzlülüğü etkilerinin araştırılması amacıyla, farklı hücre sayıları ve frekanslarda 5 farklı eliptik kavitenin tasarımı ve bu kavitelerden ikisinin üretilip ölçülmesine ait sonuçlar sunulmuştur. İlk olarak, hücreden hücreye kuplajı oldukça zayıf olan, 9 hücreli, 3.9 GHz bir eliptik kavite tasarlanmış ve hızlandırma parametreleri optimize edilmiştir. Hücreden hücreye kuplajın düşük olması sayesinde olası mekanik kusurların daha iyi gözlemlenmesi hedeflenmiş ve CST-MWS programı kullanılarak bu kavitedeki hücre hizalama hatalarının temel kavite parametreleri ve parçacık-kavite etkileşimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Buna ek olarak, kavite yüzey pürüzünün, uyarma alanlarına ve empedanslarına olan etkisi de gözlemlenmeye çalışılan parametreler arasındadır. Ardından, hücre hizalama hatasının etkilerinin yalnızca bu geometriyle sınırlı olmadığını gösterme amacıyla 3 hücreli 2 GHz’lik bir kavite ve onun ölçeklendirilmiş versiyonu olan 3 hücreli 3.9 GHz’lik bir kavite tasarlanmış ve benzer simülasyonlar bu kaviteler için de tekrarlanmıştır. Tezin deneysel kısmında, 3 hücreli 3.9 GHz eliptik bir kavite tasarlanıp 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş, nikel ve bakır kaplama yöntemleriyle iletken hale getirilmiştir. Ardından, hücre hizalama hatasının kalite faktörü ve hızlandırma eksenindeki elektrik alan üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Bu işlemler için zayıf ve kritik kuplaj ölçümlerinin yanı sıra boncuk çekme ölçümünden de faydanılmıştır. Tezin son kısmında ise 2.45 GHz’lik tek hücreli, alüminyum bir kavite üretilip aynı deneyler tekrarlanmış ve benzer etkilerin daha yüksek iletkenlik değerleriyle de görülebileceği deneysel olarak gösterilmiştir.