Please use this identifier to cite or link to this item: http://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/78924
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorSakhorn Rimjaem-
dc.contributor.authorPitchayapak Kitisrien_US
dc.date.accessioned2023-10-05T10:42:45Z-
dc.date.available2023-10-05T10:42:45Z-
dc.date.issued2023-06-
dc.identifier.urihttp://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/78924-
dc.description.abstractAt the PBP-CMU Electron Linac Laboratory (PCELL), significant progress is being made in the development and commissioning of an electron accelerator and mid-infrared (MIR) and terahertz (THz) free-electron laser (FEL) systems. The electron accelerator system includes a thermionic radio-frequency (RF) gun as an electron source, an alpha magnet as a pre-bunch compressor and energy filter, and an RF linear accelerator (linac) structure for further energy acceleration. Downstream the accelerator system, 180-degree magnetic bunch compressor systems and two beamlines are installed specifically designed for the generation of MIR and THz FEL. The aim of this thesis is to characterization of electron source and RF power system for production of MIR FEL. The scope of this research is categorized into two parts. The first part is characterization of RF power systems for both the RF electron gun and the RF linac. The other part is generation and characterization of electron beam produced from the RF gun. For the first part, the RF equipment used in RF power measurement systems, which are crystal detectors, directional couplers, coaxial cables, and attenuators, were calibrated and characterized their functions before performing RF power measurements. The results of the RF power measurements revealed that the input RF powers were 2.2 and 4.2 MW for the gun and the linac, respectively. With these RF powers, the accelerator system is capable of generating the electron beam with a maximum energy 2.6 MeV after leaving the gun and 15.0 MeV after leaving the linac. This leads to the final energy of 17.6 MeV. This energy is still too low for the desired energy of 22-25 MeV needed for the MIR-FEL production. It is important to note that the RF output power of the linac’s klystron have not been confirmed yet due to the failure of the modulator transformer during the measurement period. Further RF power measurement of the linac’s klystron will be conducted after the broken modulator transformer is replaced with a new one. According to the klystron’s specifications, it should be able to produce the RF power of up to 7 MW. With this RF power value, the calculation suggested that the accelerator system should be able to generate the electron beam with an energy of 23.9 MeV, which meets the MIR-FEL requirements. In the second part, the operation of the RF gun was studied. The electron beams were generated at different cathode filament powers with different RF input powers. The electron current was measured with the first current transformer downstream the RF gun. Then, the energy spectra of electron beam were measured using the alpha magnet and its downstream current transformer. The results reveal that the cathode filament power strongly affects the beam current, while the RF power significantly affects the beam energy. The appropriate cathode filament power also depends on the conditions of RF power, the pressure inside the gun cavity, and the cathode lifetime. The proper cathode filament power can be found by slowly increasing the filament power to survey the point that gives the maximum and stable beam current. The optimal conditions for generating electron beam during this study was achieved at a cathode filament power of 21.3 W with an RF input power of 2.0 MW and an RF gun’s temperature of about 24.0°C. With these conditions, the electron beam has a beam current of 225 mA with an average energy of 1.9 MeV and an energy spread of about 19%. The average energy of electron beam is quite uniform with a deviation of less than 5% within a length 2.25 μs for the RF pulse width of 4.20 μs. The results of this research indicate the properties of electron beams produced from the electron gun and the linac with optimized RF power properties. Consequently, this investigation reveals the limitations of the accelerator system for generating the electron beam for production of MIR FEL, thereby offering valuable information for future beam operation. Moreover, this research provides the procedures for measuring the RF power of the RF system and measuring the energy spectrum of the electron beams, which are valuable for the operation of our facility.en_US
dc.language.isoen_USen_US
dc.publisherChiang Mai : Graduate School, Chiang Mai Universityen_US
dc.titlecharacterization of electron source and rf power system for mid-infrared free electron laser at Chiang Mai Universityen_US
dc.title.alternativeการหาลักษณะเฉพาะของแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนและระบบกำลังแบบอาร์เอฟสำหรับเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดช่วงกลางที่มหาวิทยาลัย เชียงใหม่en_US
dc.typeThesis
thailis.controlvocab.lcshElectron accelerators-
thailis.controlvocab.lcshElectrons-
thailis.controlvocab.lcshElectron cyclotron resonance sources-
thailis.controlvocab.lcshSpectrum analysis-
thesis.degreemasteren_US
thesis.description.thaiAbstractณ ห้องปฏิบัติการวิจัยเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น อยู่ระหว่างการพัฒนาและดำเนินการใช้งานเครื่องเร่งอิเล็กตรอนและระบบเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดช่วงกลางและเทราเฮิร์ต ระบบเครื่องเร่งอิเล็กตรอนประกอบด้วยแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนชนิดปืนอิเล็กตรอนแบบคลื่นความถี่วิทยุ (อาร์เอฟ) แม่เหล็กแอลฟาที่ทำหน้าที่บีบห้วงอิเล็กตรอนและกรองพลังงาน และท่อเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้นแบบอาร์เอฟ (หรือไลแนค) สำหรับเร่งลำอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงขึ้น ถัดจากระบบเครื่องเร่งเป็นระบบแม่เหล็กสำหรับบีบห้วงอิเล็กตรอนแบบ 180 องศา และระบบสร้างเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในย่านอินฟราเรดช่วงกลางและเทราเฮิร์ต วิทยานิพนธ์เล่มนี้เน้นการหาคุณลักษณะเฉพาะของแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนและระบบกำลังแบบอาร์เอฟเพื่อผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในย่านอินฟราเรดช่วงกลาง ขอบเขตของงานวิจัยนี้แบ่งออกเป็นสองส่วน ส่วนแรกคือการหาคุณลักษณะเฉพาะของระบบกำลังแบบอาร์เอฟสำหรับปืนอิเล็กตรอนและไลแนค ส่วนที่สองคือการผลิตและการหาคุณลักษณะเฉพาะของของลำอิเล็กตรอนที่ผลิตจากปืนอิเล็กตรอนแบบอาร์เอฟ สำหรับการศึกษาส่วนแรก ได้ทำการสอบเทียบและวัดคุณสมบัติของอุปกรณ์อาร์เอฟที่ใช้ในระบบการวัดกำลังของคลื่นอาร์เอฟ ได้แก่ หัววัดสัญญาณแบบคริสตัล ตัวต่อแยกทิศสัญญาณ สายโคแอกเชียล และตัวลดทอนสัญญาณ ก่อนที่จะนำไปใช้ในวัดกำลังของคลื่นอาร์เอฟ จากผลการทดลองพบว่ากำลังของคลื่นอาร์เอฟที่ส่งเข้าไปในปืนอิเล็กตรอนและไลแนคมีค่า 2.2 และ 4.2 เมกะวัตต์ ด้วยกำลังของคลื่นอาร์เอฟดังกล่าวนี้ ระบบเครื่องเร่งสามารถผลิตลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน 2.6 เมะอิเล็กตรอนโวลต์ หลังจากออกจากปืนอิเล็กตรอน และ 15.0 เมะอิเล็กตรอนโวลต์ หลังจากออกจากไลแนค ซึ่งทำให้ได้พลังงานเป็น 17.6 เมะอิเล็กตรอนโวลต์ ค่าพลังงานนี้ยังไม่เพียงพอต่อการนำไปเร่งลำอิเล็กตรอนให้มีพลังงานในช่วง 22-25 เมะอิเล็กตรอนโวลต์ ตามที่ต้องการใช้ในการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในย่านอินฟราเรดช่วงกลาง อย่างไรก็ตามผลการวัดกำลังของคลื่นอาร์เอฟที่สำหรับไคสตรอนของไลแนคยังไม่ได้มีการยืนยันผลที่แน่นอน เนื่องมาจากเกิดความเสียหายของหม้อแปลงของระบบมอดูเลเตอร์ในระหว่างการทดลองวัดกำลังอาร์เอฟ ซึ่งจะได้ทำการวัดกำลังของไคสตรอนอีกครั้งหลังจากที่มีการเปลี่ยนหม้อแปลงของระบบมอดูเลเตอร์ใหม่แล้ว โดยข้อมูลจำเพาะของไคสตรอนนี้ระบุว่าสามารถผลิตคลื่นอาร์เอฟที่มีกำลังสูงถึง 7 เมกะวัตต์ ซึ่งจากการคำนวณรด้วยค่ากำลังนี้ ระบบเครื่องเร่งควรสามารถเร่งลำอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงได้ถึง 23.9 เมกะวัตต์ ซึ่งเพียงพอต่อการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในย่านอินฟราเรดช่วงกลาง สำหรับการศึกษาส่วนที่สอง ได้ทำการศึกษาการทำงานของปืนอิเล็กตรอน โดยทำการผลิตลำอิเล็กตรอนเมื่อใช้กำลังของฟิลาเมนท์ของคาโทดและกำลังคลื่นอาร์เอฟที่ให้แก่ปืนอิเล็กตรอนค่าต่างๆ ซึ่งทำการวัดกระแสของลำอิเล็กตรอนโดยใช้หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่หลังปืนอิเล็กตรอน และการวัดสเปกตรัมพลังงานของลำอิเล็กตรอนโดยใช้แม่เหล็กแอลฟาและหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าที่ติดตั้งอยู่ข้างหลังแม่เหล็กแอลฟา จากผลการทดลองพบว่ากำลังที่ให้แก่ฟิลาเมนท์ของคาโทดมีผลต่อค่ากระแสของลำอิเล็กตรอนเป็นอย่างมาก ในขณะที่กำลังของคลื่นอาร์เอฟมีผลมากต่อพลังงานของลำอิเล็กตรอน โดยค่ากำลังที่เหมาะสมสำหรับฟิลาเมนท์ของคาโทดยขึ้นกับกำลังของคลื่นอาร์เอฟที่ใช้ ความดันภายในปืนอิเล็กตรอน และอายุการใช้งานของคาโทด เราสามารถหาค่ากำลังที่เหมาะสมของฟิลาเมนท์ได้โดยการค่อย ๆ เพิ่มกำลังคลื่ออาร์เอฟ แล้วสังเกตจุดที่ปืนอิเล็กตรอนสามารถผลิตลำอิเล็กตรอนที่มีกระแสสูงสุดและมีความเสถียรมากที่สุด จากการศึกษาครั้งนี้ พบว่าเงื่อนไขที่เหมาะสมในการผลิตลำอิเล็กตรอน คือการให้กำลังแก่ฟิลาเมนท์ของคาโทดที่ 21.3 วัตต์ กำลังของคลื่นอาร์เอฟที่ 2.0 เมกะวัตต์ และอุณภูมิปืนอิเล็กตรอนที่ประมาณ 24.0°C ซึ่งทำให้ลำอิเล็กตรอนที่ผลิตได้มีค่ากระแส 225 มิลลิแอมป์ มีพลังงานเฉลี่ย 1.9 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ มีค่าการกระจายพลังงาน 19% และมีพลังงานเฉลี่ยค่อนข้างสม่ำเสมอไม่เกิน 5% ในช่วงความยาวพัลส์ 2.25 ไมโครวินาที สำหรับคลื่นอาร์เอฟที่มีความยาวพัลส์ 4.20 ไมโครวินาที ผลจากงานวิจัยนี้ให้ข้อมูลที่สำคัญในการบ่งบอกถึงสมบัติของลำอิเล็กตรอนที่ผลิตได้จากปืนอิเล็กตรอนและไลแนค โดยใช้ข้อมูลจากกำลังของคลื่นอาร์เอฟที่เหมาะสม นอกจากนี้ยังบ่งบอกถึงข้อจำกัดของระบบเครื่องเร่งในการผลิตลำอิเล็กตรอนสำหรับการะบบเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในย่านอินฟราเรดช่วงกลาง ยิ่งไปกว่านั้น ผลจากงานวิจัยนี้ได้ให้ข้อมูลสำคัญในระบุขั้นตอนและวิธีการวัดพลังงานของระบบอาร์เอฟ และการวัดสเปกตรัมพลังงานของลำอิเล็กตรอนที่มีประโยชน์เป็นอย่างมากต่อการดำเนินงานห้องปฏิบัติการวิจัยen_US
Appears in Collections:SCIENCE: Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
620531010-PITCHAYAPAK KITISRI.pdf13.29 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy


Items in CMUIR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.