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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 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

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

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

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

8 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? 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 Gy/y Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April

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

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 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

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

14 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Quelle: P.Kowina, BPM-Entwicklung für FAIR, Jürlich 2 April 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

16 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - matching transformer wofür? Lösung: hohe pick-up niedrige Koaxialkabel + 50 Ohm Verstärker 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 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 amorphe nanokristalline Fe-Legierung  „dynamische Magnetisierung“ gute Alterungsbeständigkeit Bs: T λs:<0.5 ppm µ: – Curie-Temp:600 o C Temperatur limit:120 o C

19 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - Einführung - Vitoperm500F Kernmaterial Vorteile von VITOPERM500F amorphe nanokristalline Fe-Legierung  „dynamische Magnetisierung“ gute Alterungsbeständigkeit Bs: T λs:<0.5 ppm µ: – 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

20 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Permeabilität μ(f,T) µ 77Kµ 330K 100Hz97, , kHz94, , kHz59, , kHz 34, , MHz6, , Quelle: PKB_EMV Broschüre Parameter: Vitoperm500F µ= Mn-Zn-Ferrit µ=

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

22 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Übertragungsfunktionen via NWA 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

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

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

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

27 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Temperaturverhalten 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

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

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

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

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

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

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

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

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, – 6,8 *10 RT 97, *10 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

37 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Fragen

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

39 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Einführung - Einführung - Vitoperm500F Kernmaterial Vorteile von VITROPERM500F amorphe nanokristalline Fe-Legierung  dynamische Magnetisierung 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 Freimuth Messung – Abtasten kleiner Frequenzen

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

42 Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Wärmeentwickling Vergleich

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

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


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