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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
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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)
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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Motivation und Aufgabenstellung
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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
Motivation und Aufgabenstellung
-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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Motivation und Aufgabenstellung
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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
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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
Eigenschaften des Resonators:
q anregende LadungS SensitivitätF Formfaktor
ω Kreisfrequenz des jeweiligen ModesZ LeitungsimpedanzQext externe Güte der Ankopplung der AntenneR/Q normalisierte shunt Impedanz
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Formfaktor für gaußförmige Ladungsverteilung im Bunch
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c Lichtgeschwindigkeitσz Bunchlänge
Formfaktor für rechteckförmige Ladungsverteilung im Bunch
Messprinzip Bunchlänge
Formfaktor über Bunchlänge bei 1,3GHz
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Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildungzweier Spannungsamplituden
-bei gaußförmiger Ladungsverteilung:
mit und
Messprinzip Bunchlänge
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Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildungzweier Spannungsamplituden
-bei rechteckförmiger Ladungsverteilung:
mit und
Lösung mit zweiter Näherung der Taylorreihe
Messprinzip Bunchlänge
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Inhalt
•Aufgabenstellung und Motivation
•Messprinzip Bunchlänge
•Realisierung Front-End
•Charakterisierung Front-End
•Zusammenfassung und Ausblick
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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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Realisierung Front-End
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Konzept
Im Folgendem eine kurze Beschreibung einzelner Komponenten
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Messung der Bandpassfilter Charakteristik
Realisierung Front-End
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Dynamikbereich der Amplituden
0,1nC < q < 3nC →
Ausgangskennlinie Detektorbaustein AD8318 bei 1,3GHz
Linearer Bereich-55dBm bis -5dBm → 50dB
Realisierung Front-End
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Schaltplan Detektorschaltung
Realisierung Front-End
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Aufbau Front-End
Realisierung 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
Realisierung Front-End
Messaufbau Ergebnis
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Funktionstest Detektorschaltung
SignalgeneratorTektronix
AWG 7122CFront-End
Oszilloskop Tektronix
MSO 4104
1,3GHz
1MHz
MessergebnisMessergebnis mit falsch eingestellter Verzögerung
Messaufbau
Realisierung Front-End
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•Messprinzip Bunchlänge
•Realisierung Front-End
•Charakterisierung Front-End
•Zusammenfassung und Ausblick
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Charakterisierung Front-End
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SignalgeneratorRhode&Schwarz
SMHUSinus
Front-EndOszilloskop Tektronix
MSO 41041,3GHz
SignalgeneratorTektronix
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
Charakterisierung Front-End
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.
Charakterisierung Front-End
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Minimal bestimmbare Bunchlängen in Abhängigkeit der Eingangsleistung
Charakterisierung Front-End
Ausgangsleistung des Resonators sohoch, dass bei 0,1nC der hohe Leistungsbereich erreicht wird
Dämpfungsglied muss vorgeschaltet werden
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•Messprinzip Bunchlänge
•Realisierung Front-End
•Charakterisierung Front-End
•Zusammenfassung und Ausblick
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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