1 118.04.2008 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Matching Transformatoren für SIS100 BPM M. Freimuth, P. Kowina, W. Kaufmann Vortrag.

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1 1 118.04.2008 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Matching Transformatoren für SIS100 BPM M. Freimuth, P. Kowina, W. Kaufmann Vortrag für SD-Gruppenseminar

2 1.Einführung 1.Matching Transformatoren wofür? 2.Vitoperm500F Kernmaterial 3.Matching Transformator Anforderungen 2.Messung 1.Permeabilität μ(f,T) + Paarsuche 2.Übertragungsfunktionen via Netzwerk Analysator 3.Übertragungsfunktionen 4.Temperaturverhalten & Bandbreite 5.Sättigung 3. Zusammenfassung & Ausblick 1.Realität Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Agenda 2 18.04.2008

3 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? C R 18.04.2008 3

4 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? 3 18.04.2008 l=10cm, C = 100pF ß=50% Quelle: P. Fork, GSI Darmstadt, Strahldiagnose, „Lecture Notes on BEAM Instrumentation and Diagnostics Jan-Mar 07“ l=10cm, C = 100pF ß=50%

5 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? 3 18.04.2008 l=10cm, C = 100pF ß=50% Quelle: P. Fork, GSI Darmstadt, Strahldiagnose, „Lecture Notes on BEAM Instrumentation and Diagnostics Jan-Mar 07“ l=10cm, C = 100pF ß=50%

6 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? 18.04.2008 3 →0→0 l=10cm, C = 100pF ß=50%

7 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? 18.04.2008 3 l=10cm, C = 100pF ß=50% >>1

8 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? 18.04.2008 3 l=10cm, C = 100pF ß=50% proportionalAbleitung

9 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Hohe Strahlungsbelastung (ca. 40kGy/y)  Problem : Elektronik kann max. 30-300Gy/y Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 2007 18.04.2008 4

10 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Hohe Strahlungsbelastung (ca. 40kGy/y)  Problem : Elektronik kann max. 30-300Gy/y Lösung : 5m Koaxialkabel von pick-up  Elektronik Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 2007 18.04.2008 4

11 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Hohe Strahlungsbelastung (ca. 40kGy/y) 5m Koaxialkabel sollen gespeist werden  Problem : Kabel + hochohmiger Verstärker  Kabelkapazität  reduziert Signalpegel Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 2007 18.04.2008 4 + - beam pick-up Koaxial Kabel

12 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Hohe Strahlungsbelastung (ca. 40kGy/y) 5m Koaxialkabel sollen gespeist werden  Problem : Kabel + hochohmiger Verstärker  Kabelkapazität  reduzierter Signalpegel  Fehlanpassung verursacht Reflektionen Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 2007 18.04.2008 4

13 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Hohe Strahlungsbelastung (ca. 40kGy/y) 5m Koaxialkabel  Problem : Koaxialkabel + hochohmiger Verstärker Lösung : 50 Ω Verstärker + 50 Ω Koaxialkabel reflektionsfrei low noise 50 Ω Verstärker verfügbar in notwendiger Güte Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 2007 18.04.2008 4

14 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 2007 18.04.2008 4 Hohe Strahlungsbelastung (ca. 40kGy/y) 5m 50 Ω Koaxialkabel 50 Ω Verstärker  bunch Frequenz < l=10cm, C = 100pF ß=50% Quelle: P. Fork, GSI Darmstadt, Strahldiagnose, „Lecture Notes on BEAM Instrumentation and Diagnostics Jan-Mar 07“

15 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Hohe Strahlungsbelastung (ca. 40kGy/y) 5m 50 Ω Koaxialkabel 50 Ω Verstärker  bunch Frequenz < cut-off Frequenz  Bipolares Signal (Bild links) Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 2007 18.04.2008 4

16 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Lösung: hohe Transfer-Impedanz @ pick-up niedrige Impedanz @ Koaxialkabel + 50 Ohm Verstärker 18.04.2008 5 IMPEDANCE MATCHING IMPEDANCE MATCHING

17 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - Matching Transformator Anforderungen lineares Übertragungsverhalten bei RT bis 77K Bandwidth 0.1MHz-100MHz (bunch Frequenz : 0.5MHz – 2.7MHz) (bunch Länge : 25ns – 500ns ) Möglichst hohe Permeabilität (μ R ) Resonanzen Resonanzfreiheit innerhalb der Bandbreite Möglichst wenig Windungen  Kapazitäten 120dB dynamischer Signalbereich (spannungsfest bis 2kV) geringe Sättigungseffekte 18.04.2008 7

18 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - Einführung - Vitoperm500F Kernmaterial Vorteile von VITROPERM500F Quelle: VACUUMSCHMELZE GMBH & CO.KG; AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SOFT MAGNETS, 1996, G.Herzer, ISBN-0-7923-4604-1 amorphe nanokristalline Fe-Legierung  „dynamische Magnetisierung“ gute Alterungsbeständigkeit Bs: 1.1 - 1.3 T λs:<0.5 ppm µ:15.000 – 100.000 Curie-Temp:600 o C Temperatur limit:120 o C 18.04.2008 8

19 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - Einführung - Vitoperm500F Kernmaterial Vorteile von VITOPERM500F amorphe nanokristalline Fe-Legierung  „dynamische Magnetisierung“ gute Alterungsbeständigkeit Bs: 1.1 - 1.3 T λs:<0.5 ppm µ:15.000 – 100.000 Curie-Temp:600 o C Temperatur limit:120 o C F- Type  µ weiträumig H unabhängig Quelle: VACUUMSCHMELZE GMBH & CO.KG; AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SOFT MAGNETS, 1996, G.Herzer, ISBN-0-7923-4604-1 18.04.2008 8

20 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Permeabilität μ(f,T) µ R @ 77Kµ R @ 330K 100Hz97,4 10 3 46,9 10 3 1kHz94,7 10 3 45,9 10 3 10 kHz59,3 10 3 45,9 10 3 100kHz 34,7 10 3 35,3 10 4 1 MHz6,79 10 3 6,84 10 3 Quelle: PKB_EMV Broschüre http://www.vacuumschmelze.de/ Parameter: Vitoperm500F µ=80.000 Mn-Zn-Ferrit µ=5.000 18.04.2008 9

21 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Paarsuche 84 BPM total für SIS100 pro BPM 4 Transformatoren total Transformatoren for SIS 100 84 x 4 x 5 = 1680 18.04.2008 10 μ + σ 2 μ - σ 2

22 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Übertragungsfunktionen via NWA 18.04.2008 11 S 11, S 22 = Reflektion S 12, S 21 = Transmission

23 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Übertragungsfunktionen via NWA Ω Temperatur- Sensor 50 Ω Anpass- ung Port-1Port-2 18.04.2008 12

24 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Übertragungsfunktionen via NWA Dummy 18.04.2008 13

25 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Übertragungsfunktionen 18:3 vs. 30:3 18.04.2008 14 5 dB

26 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Temperaturverhalten 18.04.2008 15 18:3 30:3

27 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Temperaturverhalten 18.04.2008 15 ca. 100 Zyklen

28 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Übertragungsfunktionen Bandbreite Start 0.3 dB2,18e4 Hz – 4,7e7 Hz 1dB 9000 Hz – 9.1e7 Hz 1.72dB9000 Hz – 100e6 Hz 18:3 transformer 18.04.2008 15

29 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Sättigung 18.04.2008 16 DC

30 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Sättigung μ = f(w) + μ = f(H) Verhalten -> bessere Sättigungseigenschaft bei 77K 18.04.2008 17

31 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Sättigung μ = f(w) + μ = f(H) Verhalten -> bessere Sättigungseigenschaft bei 77K 18.04.2008 17

32 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Sättigung μ = f(w) + μ = f(H) Verhalten -> bessere Sättigungseigenschaft bei 77K 18.04.2008 17 ~ Luftspule

33 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Sättigung μ / f + μ /H Verhalten -> bessere Sättigungseigenschaft bei 77K Kapazitätseinflüsse –> geringe Windungszahl 18.04.2008 17

34 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Zusammenfassung \ Ausblick 1MΩ 50 Ω -15dB 18.04.2008 18 matching Transformer (18:3)

35 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Zusammenfassung \ Ausblick 1MΩ 50 Ω matching Transformer (18:3) -15dB +10dB 18.04.2008 18

36 Erreichte Ziele: - lineares Übertragungsverhalten (bei RT bis 77K) - ohne Last; Bandwidth (1dB-Kriterium)  9kHz-91 MHz (1.72dB-Kriterium)  9kHz-100Mhz - gyromagnetische Resonanzfrequenz  bei 500Hz - hohes μ R  47,1 10 3 – 6,8 *10 3 @ RT 97,4 10 3 - 6.8 *10 3 @ 77K (100Hz-1MHz) Nicht / nur teilweise erreichte Ziele: starke Sättigungseffekte Mögliche Lösung: - Größerer Ringkern, geringere Windungszahl Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Zusammenfassung \ Ausblick 18.04.2008 19

37 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Fragen 18.04.2008 20

38 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Danke für ihre Aufmerksamkeit 18.04.2008 21

39 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - Einführung - Vitoperm500F Kernmaterial Vorteile von VITROPERM500F amorphe nanokristalline Fe-Legierung  dynamische Magnetisierung 18.04.2008 Kristallanisotrophie-Energie kristallografische Richtung der Magnetisierung K-Energie muss für Richtungsänderung aufgebracht werden nanokristalline Alloys Zufalls orientierte Anisotrophien der nanoscale Keime werden ausgemittelt,Restbetragt statt einige 10k J/m^3 nur einige J/m^3. Nur Drehprocesse keine Wandprocesse (Blochwände)

40 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth18.04.2008 21 Messung – Abtasten kleiner Frequenzen

41 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Paarsuche-Details 18.04.2008 10 Primärseite Sekundärseite

42 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth18.04.2008 21 Messung – Wärmeentwickling Vergleich

43 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Übertragungsfunktionen via NWA 18.04.2008 11 S 11, S 22 = Reflektion S 12, S 21 = Transmission üblicherweise

44 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth18.04.2008 21 Messung – Wärmeentwickling Vergleich total loses = (dyn.+static) loses