Destek Sistemleri

Helyum Kriyojenik Sistemi

Helyum soğutma sistemi; TARLA’da iki adet süperiletken radyo frekans (SRF – 9 hücreli TESLA kaviteleri) kriyo-modülü süper iletken faza geçirmek için niyobyum kavitelerinin sıcaklığını 16 mbara’da 1.8 K (-271.4 °C) değerine düşürmek amacıyla kurulmuştur.

Sistemin ön soğutması ve kriyojenik şartlarda çalışması gereken bileşenlerin ısıl yalıtımında sıvı azot (LN2) kullanılmaktadır. Sıvı azot, 25 m³ hacimli çift cidarlı vakum ceketli depolama tankında tutulmaktadır. Soğuk kutu 1, soğuk kutu 2, kriyo-modüller ve kriyojenik transfer hatlarının ısıl yalıtımı yüksek vakumla da sağlanmaktadır.

Tesisteki helyum kriyojenik sistemi, kapalı çevrim prensibiyle çalışmaktadır. Sıvı Azot (LN2) ön soğutma ile birlikte toplamda 180 W (1.8K @ 16 ± 0.01mbara) soğutma kapasitesine sahiptir. Aynı zamanda LN2 ön soğutması olmadan ~45 L/h ~4.5 K (-268.7 °C) @ 1.3 bara sıvı helyum LHe(I) üretme ve 40W @ 1.8K (-271.4 °C) soğutma kapasitesine sahiptir.

Sistem Bileşenlerinin Genel Bilgileri

Gaz helyum tankları: 50m^3 hacime sahip vakum ceketli iki adet helyum tampon rezerv tankları gaz fazında helyumu barındırmaktadır. Genel olarak 10 bara basınçta ortam sıcaklığında helyum barındıran tanklar, 5.0 saflık (99.999) derecesinde (grade) gaz helyumun sisteme sağlanmasını veya sistem kapalıyken depolanmasını sağlar.

Kompresör ünitesi: Her biri 140kW gücünde iki adet vidalı helyum kompresörden oluşmaktadır. Soğutma işlemi öncesinde helyumun~14.0 – 14.5 bara basınç aralığında Soğuk Kutu 1’e (Cold box 1 – CB1) ulaşmasını sağlar.

Yağ Ayrıştırıcı ve Gaz Yönetim Sistemi (Oil Removal – ORS – and Gas Management System):

Yağ ayrıştırıcı sistem; Helyum kompresörlerinde vida bloğunda yağ ile karışmış olan helyumun yağdan ayrıştırılması ve diğer partiküllerden (varsa) arındırılmasını sağlar. İki adet koalesker (coalescer) tipi, bir adet aktif kömür filtresi (active charcoal filter) ve bir adet karbon ayrıştırıcı filtreden oluşmaktadır.

Gaz yönetim sistemi; Üç adet pozisyonerli otomatik debi kontrol vanası (Automatic-throttling control valve) ile gaz helyum tankları, kompresörler, yüksek basınç hattı ve alçak basınç hattı arasındaki gaz akışının kontrolünü sağlar.

Soğuk Kutu 1 (Cold Box 1 – CB1): “Soğutucu” (Refrigerator) olarak “Soğutma/Sıvılaştırma” (Refrigeration/Liquefaction) modlarında çalışabilen bir soğuk kutudur. İki adet seri dizilimde statik gaz rulmanlı tasarıma sahip turbo genleştiriciler ile Collins Çevrimi (modifiye edilmiş Claude Çevrimi) prensibine göre çalışır. Yapısında bulunan Joule-Thomson Vanası ile inversiyon sıcaklığı altında soğutulmuş helyum gazının sıvılaşarak, 1.3 bara 4.5 K (-268.7 °C) değerlerinde normal akışkan helyum LHe(I) (Liquid Helium 1) fazında 1000L sıvı helyum tankında depolanmasını sağlar. Yüksek seviye vakum (HV) vakum izolasyonu sayesinde termal etkilerden izole edilmektir. Yapısında bulunan üç akışlı ilk ısı eşanjörü (HX1) ile sıvı azotu kullanarak helyum gazının ilk ön soğutmasını (LN2 ön soğutma) sağlar, ve sistemin LN2 ön soğutmalı veya ön soğutmasız olarak yönetilmesine olanak tanır.

Depolama Tankı (Dewar): Bir adet 1000L hacimde olan vakum yalıtımlı sıvı helyum tankı (dewar) kriyomodüllere ulaştırılacak olan LHe(I)’in (1.3 bara ve 4.5 K normal akışkan fazda helyum) depolandığı yerdir.

Soğuk Kutu 2 (Cold Box 2 – CB2): Dewarda biriktirilmiş olan LHe(I)’in kriyomodüllere aktarılmasında, kriyomodüllerden çıkan soğuk helyum gazının soğuk gücünün CB1’de kullanılmasını, dewardan kriyomodüllere aktarılan LHe(I)’in ~2K’e (-271.2 °C) kadar soğutulmasını ve Sıcak Vakum Pompaları Ünitesine’de sıcak helyum gazının aktarılmasını sağlar. Yüksek seviye vakum ve sıvı azot (LN2) termal kalkanı ile izolasyonu sağlanmaktadır.

Yapısında dizayn olarak diğer helyum kriyojenik sistemlerinden ayrılmasını sağlayan;

Bieri ısı eşanjörü (-269 °C ile +65 °C sıcaklıklarında, -1 bar ile 19 bar basınç değerlerinde çalışma aralığına sahip özel iç tasarıma sahip HX),
6 K ile 4.5K (-271.6 °C ile -268.7 °C) değerlerinde opere edilebilen altsoğutucu (subcooler) ısı eşanjörüne,
Soğuk kompresöre (cold compressor) ve
İki adet Joule-Thomson vanasına

sahip olarak 1.8K (-271.4 °C) sıcaklığında süperakışkan sıvı helyumun (LHe(II)) kriyomodüllere ulaşmasını sağlayacak kapasitededir.

Sıcak Vakum Pompaları Ünitesi (Warm Vacuum Pumps Unit – WVP): beş adet tümleşik yağlı döner kanatlı (rotary vane) ve kök (root) pompa grubuna sahip ünite, kriyomodüllerin içerisinde süperiletken radio frekans (SRF) kavitelerin etrafını saran titanyum haznelere (vessels) doldurulan sıvı helyumun basıncının 16 mbara’da tutulmasını sağlayarak 1.8 K (-271.4 °C) LHe(II) fazının oluşmasını ve sürekliliğini sağlar.

Transfer hatları: Sistemdeki gaz fazında veya sıvı fazında olan helyumun alt birimler arasında aktarımını sağlayan vakum izolasyonlu ve vakum izolasyona ek olarak azot soğutmalı olabilen hatlardır. MCTL (Multi Cryogenic Transfer Lines) hatları olarak bilenen birden fazla kriyojenik sıvının aktarıldığı veya TARLA Sistemi’ndeki gibi termal izolasyon amaçlı LN2 kullanarak uzun hatlar boyunca vakum izolasyonu ile birlikte sıvı helyumun ısıdan en az şekilde etkilenmesi sağlanabilir.

Radyo Frekans (RF) Sistemleri

Hızlandırıcı altyapısının temel bileşenlerinden biri, yüksek güç ve düşük seviye radyo frekans (RF) sistemleridir. Yüksek güç RF sistemleri (HPRF) süperiletken ve normal iletken RF kavitelere güç sağlayan sistemlerdir. RF sisteminin şematik yapısı şekilde gösterilmiştir.

TARLA hızlandırıcısında, ortalama 1 mA akım taşıyan bir elektron demeti, 10 MV/m ivmelendirme gradyanına sahip süperiletken yapılar kullanılarak 40 MeV enerjiye kadar hızlandırılacaktır. Bu temel yapılandırma, her biri radyo frekans (RF) gücü sağlayan katı hâl (solid-state) amplifikatörlerle beslenen dört süperiletken TESLA kavitelerinin kullanımını gerektirir. Ayrıca, enjektör sistemi iki normal iletken RF yapısından oluşur. Yüksek güç RF sistemi, her biri 18 kW doyum çıkış gücü sağlayan dört katı hâl RF amplifikatöründen oluşur. Nominal tasarım 1 mA akım için optimize edilmiş olsa da, RF altyapısı her kaynak başına 18 kW doyum gücü sağlayabilecek kapasitededir.

Düşük seviye RF kontrolcü (LLRF) sistemi ise kavitelere iletilen RF gücün genlik, frekans değerlerinin ayarlanması ve elektron demetinin kavitelerer iletilen RF gücü ile senkron olarak çalıştırılmasını kontrol eden kritik sistemlerdir. LLRF sistemi,

Bir adet 260 MHz frekansta çalışan normal iletken Subharmonic Buncher (SHB),
Bir adet 1.3 GHz frekansta çalışan normal iletken Fundamental Buncher (FB)
Dört adet süperiletken 1.3 GHz TESLA kavitelerinin kontrolü için kullanılmaktadır.

LLRF sistemi tamamiyle dijital bir sistem olup, her biri kendi mekanik tuner kontrol birimiyle entegre edilmiş altı adet RF istasyon kontrol biriminden oluşur. Bu temel bileşenlere ek olarak, sistemin işlevselliğini sağlamak için bazı yardımcı RF modüllerine de ihtiyaç vardır. Bunlar arasında, gerekli RF sinyallerini üreten Yerel Osilatör Üretim Modülü (LOGM) ve istenmeyen sinyal kaymalarını telafi eden Drift Telafi Modülü (DCM) yer alır.