Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte...

Fachhochschule WestküsteHochschule für Wirtschaft und Technik

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences

Entwicklung und Aufbau einer Schaltung zur Bestimmung der

Elektronenbündellänge im Linearbeschleuniger über verschiedene

Moden eines Resonators

Thomas Wamsat

Masterarbeit im Studiengang Mikroelektronische Systeme

13. Januar 2012



Inhalt

•Aufgabenstellung und Motivation

•Messprinzip Bunchlänge

•Realisierung Front-End

•Charakterisierung Front-End

•Zusammenfassung und Ausblick

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Windows User

ein Wort



Motivation und Aufgabenstellung

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FLASH (Freie-Elektronen-Laser-Hamburg)

Ladung: 0,1 – 3nC (typisch 1nC)Bunchlänge: 1,5 – 5,4mm (vor dem ersten Bunchkompressor!)

Bunchlängen hinter dem ersten Bunchkompressor < 1mm

Erzeugung eines Bunches → Beschleunigung → Verkürzung des Bunches → Beschleunigung → weitere Verkürzung → Erzeugung von intensivenLaserpulsen → Verwendung des erzeugten Pulses in Experimenten




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European XFEL

Funktionsprinzip mit FLASH vergleichbar



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Resonator im FLASH-Wird angeregt durch die diesen passierenden Elektronen-Anregung verschiedener Moden

-relevante Frequenzen: 1,3GHz, 3,24GHz, 5,07GHz


-TM0x Moden abhängig von der Bunchlänge-Andere Moden zusätzlich abhängig von der Position des Bunches

e

gemessenes SpektrumMode bei 1,3GHz




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Resonator Front-End

Messprinzip

Aufgabenstellung:

-Entwicklung des Front-Ends zur Amplitudenbestimmung-Verfahren zur Bunchlängenbestimmung

Bedingungen:

-Ladungsbereich 0,1 – 3nC-Bunchlängen 1,5 – 5,4mm-Singlebunch Erkennung

SoftwareADC



Inhalt






7

Windows User

ein Wort



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Messprinzip Bunchlänge

Eigenschaften des Resonators:

q anregende LadungS SensitivitätF Formfaktor

ω Kreisfrequenz des jeweiligen ModesZ LeitungsimpedanzQext externe Güte der Ankopplung der AntenneR/Q normalisierte shunt Impedanz



Formfaktor für gaußförmige Ladungsverteilung im Bunch

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c Lichtgeschwindigkeitσz Bunchlänge

Formfaktor für rechteckförmige Ladungsverteilung im Bunch


Formfaktor über Bunchlänge bei 1,3GHz



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Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildungzweier Spannungsamplituden

-bei gaußförmiger Ladungsverteilung:

mit und




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Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildungzweier Spannungsamplituden

-bei rechteckförmiger Ladungsverteilung:

mit und

Lösung mit zweiter Näherung der Taylorreihe




Inhalt






12

Windows User

ein Wort



13

Randbedingungen:

-DESY-ADC:Auflösung: 14bitAbtastrate: 9MHzwählbarer Eingangsbereich: +/- 1V, +/- 5Vwählbare Eingangsimpedanz: 50Ω, 1kΩ

-Beschleuniger Zeitsystem:

Bunchwiederholrate 1MHzMakrofrequenz 10Hz t

I100ms

Tastverhältnis ~ 0.8% (XFEL 0.65%)1-9 mA

t

I 800s (XFEL 650s)Ipeak~ 2.5 kA

Makropuls

t

I1.0s (XFEL 222ns)

Bunchabstand

Realisierung Front-End




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Konzept

Im Folgendem eine kurze Beschreibung einzelner Komponenten



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Messung der Bandpassfilter Charakteristik




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Dynamikbereich der Amplituden

0,1nC < q < 3nC →

Ausgangskennlinie Detektorbaustein AD8318 bei 1,3GHz

Linearer Bereich-55dBm bis -5dBm → 50dB




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Schaltplan Detektorschaltung




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Aufbau Front-End




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Ausgangskennlinien Detektorschaltung

SignalgeneratorRhode&Schwarz

SMHUSinus

Front-EndOszilloskop Tektronix

MSO 4104

1,3GHz /3,24GHz /5,07GHz

SignalgeneratorTektronix

AFG 3022BRechteckspannung

250kHz

Geradengleichungen der Ausgangskennlinien


Messaufbau Ergebnis



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Funktionstest Detektorschaltung


AWG 7122CFront-End

Oszilloskop Tektronix

MSO 4104

1,3GHz

1MHz

MessergebnisMessergebnis mit falsch eingestellter Verzögerung

Messaufbau




Inhalt






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Windows User

ein Wort



Charakterisierung Front-End

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SignalgeneratorRhode&Schwarz

SMHUSinus

Front-EndOszilloskop Tektronix

MSO 41041,3GHz


AFG 3022BRechteckspannung

1MHz

Ermittlung des Rauschens

Messaufbau

Messergebnis

n=100

mit



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Ermittlung der minimal bestimmbaren Bunchlänge über Gaußsches Fehlerfortpflanzungsgesetz

Beispielhaft für die minimale Bunchlänge des Amplitudenverhältnisses von U1 zu U2 gilt dann

mit den partiellen Ableitungen dergaußförmigen Ladungsverteilung für

und


Gleiches Verfahren ebenfalls für die anderen Spannungsverhältnisse der gaußförmigen Ladungsverteilung sowie für die Gleichungen der rechteckförmigen Ladungsverteilung



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Ergebnisse der Rechnung auf Basis der Labormessungen

Mit Gleichungen der gaußförmigenLadungsverteilung

Mit Gleichungen der rechteckförmigenLadungsverteilung

blau: Fehler der Bunchlänge ∆σ über Bunchlänge σ grün: ∆σ = σ

Minimal bestimmbare Bunchlänge 2,33mm.




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Minimal bestimmbare Bunchlängen in Abhängigkeit der Eingangsleistung


Ausgangsleistung des Resonators sohoch, dass bei 0,1nC der hohe Leistungsbereich erreicht wird

Dämpfungsglied muss vorgeschaltet werden



Inhalt






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Windows User

ein Wort



Zusammenfassungund Ausblick

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• Minimal bestimmbare Bunchlänge 2,33mm

Ausblick:

• Test des Front-Ends am Beschleuniger

• Einbinden der ADC Kanäle ins DESY-Netz

• Implementieren der Rechnung zur Bunchlängenbestimmung in die Kontrollsysteme



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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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