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

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

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

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%

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%

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

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

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

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

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

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

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

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

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“

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

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

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

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

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

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=

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

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

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

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

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

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

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

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

Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Sättigung DC

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

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

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

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

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

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

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

Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Fragen

Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Danke für ihre Aufmerksamkeit

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)

Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Abtasten kleiner Frequenzen

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

Matching Transformatoren für SIS100 BPM Marcel Freimuth Messung – Wärmeentwickling Vergleich

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

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