Transcript Hamburg - MDI

Fachhochschule Westküste
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Hamburg University of Applied Sciences
Hochschule für Wirtschaft und Technik
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
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Inhalt
•
Aufgabenstellung und Motivation
•
Messprinzip Bunchlänge
•
Realisierung Front-End
•
Charakterisierung Front-End
•
Zusammenfassung und Ausblick
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Motivation und
Aufgabenstellung
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FLASH (Freie-Elektronen-Laser-Hamburg)
Erzeugung eines Bunches → Beschleunigung → Verkürzung des Bunches
→ Beschleunigung → weitere Verkürzung → Erzeugung von intensiven
Laserpulsen → Verwendung des erzeugten Pulses in Experimenten
Ladung:
Bunchlänge:
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0,1 – 3nC (typisch 1nC)
1,5 – 5,4mm (vor dem ersten Bunchkompressor!)
Bunchlängen hinter dem ersten Bunchkompressor < 1mm
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Motivation und
Aufgabenstellung
European XFEL
Funktionsprinzip mit FLASH vergleichbar
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Motivation und
Aufgabenstellung
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Resonator im FLASH
-Wird angeregt durch die diesen
passierenden Elektronen
-Anregung verschiedener Moden
Mode bei
1,3GHz
gemessenes
Spektrum
e
-TM0x Moden abhängig von der
Bunchlänge
-Andere Moden zusätzlich abhängig
von der Position des Bunches
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-relevante Frequenzen:
1,3GHz, 3,24GHz, 5,07GHz
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Motivation und
Aufgabenstellung
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Messprinzip
Resonator
Front-End
ADC
Aufgabenstellung:
-Entwicklung des Front-Ends zur Amplitudenbestimmung
-Verfahren zur Bunchlängenbestimmung
Bedingungen:
-Ladungsbereich 0,1 – 3nC
-Bunchlängen 1,5 – 5,4mm
-Singlebunch Erkennung
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Software
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Inhalt
•
Aufgabenstellung und Motivation
•
Messprinzip Bunchlänge
•
Realisierung Front-End
•
Charakterisierung Front-End
•
Zusammenfassung und Ausblick
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Messprinzip Bunchlänge
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Eigenschaften des Resonators:
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q
S
F
anregende Ladung
Sensitivität
Formfaktor
ω
Z
Qext
R/Q
Kreisfrequenz des jeweiligen Modes
Leitungsimpedanz
externe Güte der Ankopplung der Antenne
normalisierte shunt Impedanz
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Messprinzip Bunchlänge
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Formfaktor für gaußförmige Ladungsverteilung im Bunch
Formfaktor über Bunchlänge bei 1,3GHz
Lichtgeschwindigkeit
Bunchlänge
Formfaktor für rechteckförmige
Ladungsverteilung im Bunch
1.005
1
0.995
Formfaktor F
c
σz
0.99
0.985
0.98
gaußförmig
0.975
rechteckförmig
0.97
0.965
σ [mm]
9
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.5
0.1
0.96
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Messprinzip Bunchlänge
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Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung
zweier Spannungsamplituden
-bei gaußförmiger Ladungsverteilung:
mit
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und
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Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung
zweier Spannungsamplituden
-bei rechteckförmiger Ladungsverteilung:
mit
Lösung mit zweiter Näherung der Taylorreihe
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und
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Inhalt
•
Aufgabenstellung und Motivation
•
Messprinzip Bunchlänge
•
Realisierung Front-End
•
Charakterisierung Front-End
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Zusammenfassung und Ausblick
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Realisierung Front-End
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Randbedingungen:
-DESY-ADC:
Auflösung:
Abtastrate:
wählbarer Eingangsbereich:
wählbare Eingangsimpedanz:
14bit
9MHz
+/- 1V, +/- 5V
50Ω, 1kΩ
-Beschleuniger Zeitsystem:
Bunchwiederholrate
Makrofrequenz
I
1-9 mA
Tastverhältnis ~ 0.8% (XFEL 0.65%)
100ms
1MHz
10Hz
t
I
Ipeak~ 2.5 kA
800s (XFEL 650s)
Makropuls
I
t
1.0s (XFEL 222ns)
Bunchabstand
t
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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
2.25
2.00
1.75
U [V]
1.50
1.25
1.00
0.75
0.50
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P [dBm]
-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10 -5 0
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Schaltplan Detektorschaltung
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Aufbau Front-End
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Ausgangskennlinien Detektorschaltung
Ergebnis
Messaufbau
Signalgenerator
Rhode&Schwarz
SMHU
Sinus
Signalgenerator
Tektronix
AFG 3022B
Rechteckspannung
1,3GHz /
3,24GHz /
5,07GHz
Oszilloskop
Tektronix
MSO 4104
Front-End
250kHz
Geradengleichungen der Ausgangskennlinien
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Funktionstest Detektorschaltung
Messaufbau
Signalgenerator
Tektronix
AWG 7122C
Messergebnis
20
1,3GHz
Front-End
1MHz
Oszilloskop
Tektronix
MSO 4104
Messergebnis mit falsch eingestellter
Verzögerung
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Inhalt
•
Aufgabenstellung und Motivation
•
Messprinzip Bunchlänge
•
Realisierung Front-End
•
Charakterisierung Front-End
•
Zusammenfassung und Ausblick
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Charakterisierung Front-End
Ermittlung des Rauschens
Messergebnis
Messaufbau
Signalgenerator
Rhode&Schwarz
SMHU
Sinus
1,3GHz
Oszilloskop
Tektronix
MSO 4104
Front-End
Signalgenerator
Tektronix
AFG 3022B
Rechteckspannung
1MHz
0.02
0.018
0.016
0.014
θU[V]
0.012
0.01
0.008
0.006
mit
0.004
0.002
0
-50
-40
-30
-20
P[dBm]
-10
0
10
n=100
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Charakterisierung Front-End
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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 der
gaußförmigen 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 gaußförmigen
Ladungsverteilung
Mit Gleichungen der rechteckförmigen
Ladungsverteilung
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
EingangsleistungsBereich [dBm]
2,33
4,13
2,95
2,4
4,3
3,08
2,65
4,35
3,05
2,7
4,68
3,42
3,04
5,52
4
3,98
7,2
5,45
0.02
0.018
Ausgangsleistung des Resonators so
hoch, dass bei 0,1nC der hohe
Leistungsbereich erreicht wird
0.016
0.014
θU[V]
0.012
0.01
0.008
Dämpfungsglied muss vorgeschaltet
werden
0.006
0.004
0.002
0
-50
25
-40
-30
-20
P[dBm]
-10
0
10
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Inhalt
•
Aufgabenstellung und Motivation
•
Messprinzip Bunchlänge
•
Realisierung Front-End
•
Charakterisierung Front-End
•
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Zusammenfassung
und 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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