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Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences.

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Präsentation zum Thema: "Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences."—  Präsentation transkript:

1 Fachhochschule Westküste Hochschule 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

2 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Motivation und Aufgabenstellung 3 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 intensiven Laserpulsen Verwendung des erzeugten Pulses in Experimenten

4 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Motivation und Aufgabenstellung 4 European XFEL Funktionsprinzip mit FLASH vergleichbar

5 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 5 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 Spektrum Mode bei 1,3GHz

6 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Motivation und Aufgabenstellung 6 ResonatorFront-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

7 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick 7

8 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 8 Messprinzip Bunchlänge Eigenschaften des Resonators: qanregende Ladung SSensitivität FFormfaktor ωKreisfrequenz des jeweiligen Modes ZLeitungsimpedanz Q ext externe Güte der Ankopplung der Antenne R/Qnormalisierte shunt Impedanz

9 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Formfaktor für gaußförmige Ladungsverteilung im Bunch 9 cLichtgeschwindigkeit σ z Bunchlänge Formfaktor für rechteckförmige Ladungsverteilung im Bunch Messprinzip Bunchlänge Formfaktor über Bunchlänge bei 1,3GHz

10 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 10 Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei gaußförmiger Ladungsverteilung: mitund Messprinzip Bunchlänge

11 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 11 Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei rechteckförmiger Ladungsverteilung: mitund Lösung mit zweiter Näherung der Taylorreihe Messprinzip Bunchlänge

12 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick 12

13 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 13 Randbedingungen: -DESY-ADC: Auflösung:14bit Abtastrate:9MHz wählbarer Eingangsbereich:+/- 1V, +/- 5V wählbare Eingangsimpedanz:50, 1k -Beschleuniger Zeitsystem: Bunchwiederholrate 1MHz Makrofrequenz10Hz t I 100ms Tastverhältnis ~ 0.8% (XFEL 0.65%) 1-9 mA t I 800 s (XFEL 650 s ) I peak ~ 2.5 kA Makropuls t I 1.0 s (XFEL 222ns) Bunchabstand Realisierung Front-End

14 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Realisierung Front-End 14 Konzept Im Folgendem eine kurze Beschreibung einzelner Komponenten

15 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 15 Messung der Bandpassfilter Charakteristik Realisierung Front-End

16 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 16 Dynamikbereich der Amplituden 0,1nC < q < 3nC Ausgangskennlinie Detektorbaustein AD8318 bei 1,3GHz Linearer Bereich -55dBm bis -5dBm 50dB Realisierung Front-End

17 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 17 Schaltplan Detektorschaltung Realisierung Front-End

18 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 18 Aufbau Front-End Realisierung Front-End

19 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 19 Ausgangskennlinien Detektorschaltung Geradengleichungen der Ausgangskennlinien Realisierung Front-End Messaufbau Ergebnis

20 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 20 Funktionstest Detektorschaltung Messergebnis Messergebnis mit falsch eingestellter Verzögerung Messaufbau Realisierung Front-End

21 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick 21

22 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Charakterisierung Front-End 22 Ermittlung des Rauschens Messaufbau Messergebnis n=100 mit

23 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 23 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 Charakterisierung Front-End Gleiches Verfahren ebenfalls für die anderen Spannungsverhältnisse der gaußförmigen Ladungsverteilung sowie für die Gleichungen der rechteckförmigen Ladungsverteilung

24 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 24 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. Charakterisierung Front-End

25 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 25 Minimal bestimmbare Bunchlängen in Abhängigkeit der Eingangsleistung Eingangsleistungs- Bereich [dBm] 2,334,132,95 2,44,33,08 2,654,353,05 2,74,683,42 3,045,524 3,987,25,45 Charakterisierung Front-End Ausgangsleistung des Resonators so hoch, dass bei 0,1nC der hohe Leistungsbereich erreicht wird Dämpfungsglied muss vorgeschaltet werden

26 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick 26

27 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences Zusammenfassung und Ausblick 27 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 Fachhochschule Westküste Hochschule für Wirtschaft und Technik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Hamburg University of Applied Sciences 28 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit


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