1 / 28

Inhalt

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

quinlan-roberts
Download Presentation

Inhalt

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 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

  2. Inhalt • Aufgabenstellung und Motivation • Messprinzip Bunchlänge • Realisierung Front-End • Charakterisierung Front-End • Zusammenfassung und Ausblick

  3. Motivation und Aufgabenstellung 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: 0,1 – 3nC (typisch 1nC) Bunchlänge: 1,5 – 5,4mm (vor dem ersten Bunchkompressor!) Bunchlängen hinter dem ersten Bunchkompressor < 1mm

  4. Motivation und Aufgabenstellung European XFEL Funktionsprinzip mit FLASH vergleichbar

  5. Motivation und Aufgabenstellung 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 -relevante Frequenzen: 1,3GHz, 3,24GHz, 5,07GHz

  6. Motivation und Aufgabenstellung Messprinzip Resonator Front-End ADC Software Aufgabenstellung: -Entwicklung des Front-Ends zur Amplitudenbestimmung -Verfahren zur Bunchlängenbestimmung Bedingungen: -Ladungsbereich 0,1 – 3nC -Bunchlängen 1,5 – 5,4mm -Singlebunch Erkennung

  7. Inhalt • Aufgabenstellung und Motivation • Messprinzip Bunchlänge • Realisierung Front-End • Charakterisierung Front-End • Zusammenfassung und Ausblick

  8. Messprinzip Bunchlänge Eigenschaften des Resonators: q anregende Ladung S Sensitivität F Formfaktor ω Kreisfrequenz des jeweiligen Modes Z Leitungsimpedanz Qext externe Güte der Ankopplung der Antenne R/Q normalisierte shunt Impedanz

  9. Messprinzip Bunchlänge Formfaktor für gaußförmige Ladungsverteilung im Bunch Formfaktor über Bunchlänge bei 1,3GHz c Lichtgeschwindigkeit σzBunchlänge Formfaktor für rechteckförmige Ladungsverteilung im Bunch 9

  10. Messprinzip Bunchlänge Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei gaußförmiger Ladungsverteilung: mit und

  11. Messprinzip Bunchlänge Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei rechteckförmiger Ladungsverteilung: mit und Lösung mit zweiter Näherung der Taylorreihe

  12. Inhalt • Aufgabenstellung und Motivation • Messprinzip Bunchlänge • Realisierung Front-End • Charakterisierung Front-End • Zusammenfassung und Ausblick

  13. I 1.0s (XFEL 222ns) Bunchabstand t Realisierung Front-End Randbedingungen: -DESY-ADC: Auflösung: 14bit Abtastrate: 9MHz wählbarer Eingangsbereich: +/- 1V, +/- 5V wählbare Eingangsimpedanz: 50Ω, 1kΩ -Beschleuniger Zeitsystem: Bunchwiederholrate 1MHz Makrofrequenz 10Hz I Tastverhältnis ~ 0.8% (XFEL 0.65%) 1-9 mA 100ms t I 800s (XFEL 650s) Ipeak~ 2.5 kA Makropuls t

  14. Realisierung Front-End Konzept Im Folgendem eine kurze Beschreibung einzelner Komponenten

  15. Realisierung Front-End Messung der Bandpassfilter Charakteristik

  16. Realisierung Front-End Dynamikbereich der Amplituden 0,1nC < q < 3nC → Ausgangskennlinie Detektorbaustein AD8318 bei 1,3GHz Linearer Bereich -55dBm bis -5dBm → 50dB

  17. Realisierung Front-End Schaltplan Detektorschaltung

  18. Realisierung Front-End Aufbau Front-End

  19. Realisierung Front-End Ausgangskennlinien Detektorschaltung Ergebnis Messaufbau Geradengleichungen der Ausgangskennlinien

  20. Realisierung Front-End Funktionstest Detektorschaltung Messaufbau Messergebnis mit falsch eingestellter Verzögerung Messergebnis

  21. Inhalt • Aufgabenstellung und Motivation • Messprinzip Bunchlänge • Realisierung Front-End • Charakterisierung Front-End • Zusammenfassung und Ausblick

  22. CharakterisierungFront-End Ermittlung des Rauschens Messergebnis Messaufbau mit n=100

  23. Charakterisierung Front-End 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

  24. Charakterisierung Front-End 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.

  25. Charakterisierung Front-End Minimal bestimmbare Bunchlängen in Abhängigkeit der Eingangsleistung Ausgangsleistung des Resonators so hoch, dass bei 0,1nC der hohe Leistungsbereich erreicht wird Dämpfungsglied muss vorgeschaltet werden

  26. Inhalt • Aufgabenstellung und Motivation • Messprinzip Bunchlänge • Realisierung Front-End • Charakterisierung Front-End • Zusammenfassung und Ausblick

  27. Zusammenfassung und Ausblick • 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

  28. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

More Related