PETRA III WP 1.06. PETRA III Feedback Systeme Beschleuniger Betriebsseminar 2008 Grömitz, 17.11. - 20.11. 2008 Jens Klute Klaus Balewski, H.-T. Duhme, R. Neumann, M. Ebert et al., F. Obier et al., I. Krouptchenkov, A. Brenger … Work package 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback PETRA III Multibunch Feedback Transversal Longitudinal PETRA III Timing System

PETRA III Fast Orbit Feedback System requirements PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback System requirements Die PETEA III Nutzer stellen sehr hohe Ansprüche an die Strahlqualität. Vibrationen, verursacht durch den Betrieb von Maschinen oder Einflüsse von Bodenbewegungen durch Baustellen, Verkehr etc. müssen aktiv gedämpft werden. Vertikal sollen die Abweichungen an den IDs bis auf kleiner als 1µm verringert werden. Messungen haben ergeben, dass Störungen im Bereich: horizontal ca. 10 µm und vertikal ca. 3 µm zu erwarten sind. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines schnellen Orbit Feedback Systems Reduktion der Orbit Störungen > 20dB (> Faktor 10) Frequenzbereich .1 Hz bis 300 Hz Position: OL90, ßx=21m Position: OL90, ßy=12m

PETRA III Fast Orbit Feedback System abstract PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback System abstract Weitestgehend digitales Design mit 16 bit Auflösung. Ultraschnelle BPM Signalabtastung, Eliminierung von Variationen während der analogen Signalverarbeitung der 4 BPM Knöpfe, sorgfältige digitale Signalaufbereitung, kürzest mögliche Signallaufzeiten. Hochgeschwindigkeits LWL Netzwerk mit Datenrate bis zu 200 MB/s Umlaufsynchrone Übertragung und Signalverarbeitung. Zentrale digitale Verarbeitung der Reglermatrix, die durch Optimierung mittels SVD Algorithmus erzeugt wird. Ausführung in FPGA Technologie. Feed-forward Kompensation der Netzfrequenz und deren Harmonische. Verwendung von digitalen Leistungsverstärkern mit integrierter digitaler Stromregelung zur Ansteuerung der schnellen Korrekturspulen. Bereitstellung der Möglichkeit zur Synchronisation mit der Orbitkorrtektur

PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback System Überblick: BPMs und Monitor Electronik Stern-Struktur 24 Monitor Racks 48 LWL Verbindungen Insgesamt 218 BPMs Anzahl der Racks Anzahl der Monitore

PETRA III Fast Orbit Feedback Klimahütten PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback Klimahütten

PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback LIBERA Module und Positionsdaten Kombination

PETRA III Fast Orbit Feedback BPM Front-End Electronik PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback BPM Front-End Electronik Wird bereits auch bei anderen Lichtquellen verwendet Elettra, SLS, Diamond, .. RMS Auflösung bei 1 kHz Bandbreite, Pin = - 20 dBm -90.5dB 0.3µm RMS Auflösung bei 1 MHz Bandbreite, Pin = –20 dBm -63dB 7µm 8-Stunden Stabilität (Umgebungstemperatur = T±1° C) -80dB 1µm Temperatur Drift (Temperaturbereich : 10 bis 35° C) -94dB/°C 0.2µm/°C

PETRA III Fast Orbit Feedback Signal Combiner electronics PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback Signal Combiner electronics Interface für die seriellen LIBERA Fast Ausgänge innerhalb eines Racks. Anschlußmöglichkeit von bis zu 15 LIBERA Ausgangs Datenströmen mittels FPGA Technologie. Erzeugt seriellen Ausgangs-Datenstrom als Kombination aller Positionsdaten. Übertragung zur MPU via LWL. Versorgt die LIBERA Module mit Timing- und Trigger-Signalen. LCD Display zur Anzeige von Status und Positions-Informationen. Analoger Ausgang zur Echtzeitbetrachtung der Positionsdaten einzelner BPMs. USB Interface für Wartungszwecke.

PETRA III Fast Orbit Feedback Main Processing Unit PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback Main Processing Unit Signalverarbeitung im ER1. links: LWL Tranceiver für Positionsdaten und Timing sowie Zeitmarkenverteilung Bunch Marker System mitte: LWL/CAN Module und Transmitter für DPA Steuerung und Korrekturwertverteilung rechts: MPU FPGA Elektronik, Timing Modul, 2 Serverrechner, USV Kommunikation mit MPU und den DPA Verstärkern erfolgt über USB Schnittstelle

PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback Ausgangs-Datenströme: schnelle Korrekturspulen und Verstärker Elektronik 13 Digital Verstärker Racks 39 LWL Verbindungen Insgesamt 80 Korrekturspulen und DPAs Anzahl der Racks Anzahl der Korrekturspulen

PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback System Overview: Correctors and their Amplifier electronics 13 Digital Verstärker Racks 39 LWL Verbindungen Insgesamt 80 Korrekturspulen & DPAs

PETRA III Fast Orbit Feedback CAN / LWL Extender PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback CAN / LWL Extender Der Extender erlaubt die Übertragung der CAN Bus Signale über LWL. Dem “Fast Orbit Feedback Server”. wird dadurch der individuelle Zugriff auf die digitalen Leistungs-verstärker über große Distanzen ermöglicht.

PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback Digitaler Leistungs-Verstärker, Digital Power Amplifier DPA Eine sehr kompakte Bauweise und geringe Verlustleistung ist notwendig, um die große Anzahl von DPA in den Elektronik Racks in der Experimentierhalle unterzubringen. Input: Adressierbarer serieller Datenstrom. Output: 1 bit modulation ΣΔ / 260 kHz Frequenzbereich DC to 1 kHz Ausgangsstrom 10A av. 20A max. Ausgangsspannung 50V max. Auflösung 16 Bit DSP Stromregelung, individuell kon- figurierbar. CAN Interface zur Parametrisierung, Überwachung, Datalogging.

PETRA III Fast Orbit Feedback Systemverhalten PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback Systemverhalten Abschätzung der Stör-Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises Störungen, die direkt auf den Strahl wirken Kombinierte Totzeiten: DPA 15 µs Kabel 15 µs LIBERA Elektronik 30 µs Signal combiner 20 µs MPU DSP 51 µs Totzeit gesamt 131 µs

PETRA III Fast Orbit Feedback Estimation of dynamic performance PETRA III WP 1.06. PETRA III Fast Orbit Feedback Estimation of dynamic performance Abschätzung der Stör-Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises bei Verwendung eines PI Reglers K (DPA+corrector) 1 T (DPA+corrector) Eckfrequenz 0.32 ms 500 Hz P 0.2 T(int) 1.22 ms T(delay) 0.133 ms

PETRA III Multibunch Feedback PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Signalfluß für eine transversale Richtung

PETRA III Multibunch Feedback Signal Processing Board PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Signal Processing Board

PETRA III Multibunch Feedback Signal Processing Board PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Signal Processing Board PROM Fast ADC EEPROM Digital I/O Power 5 x slow ADC Fine Delay 3 x slow DAC ALTERA STRATIX II 2S60 Fast DAC Fast DAC Digital I/O JTAG Fast ADC USB 2.0

PETRA III Multibunch Feedback Screenshot des Bedienprogrammes PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Screenshot des Bedienprogrammes

PETRA III Multibunch Feedback Power Amplifier for Kicker Magnets PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Power Amplifier for Kicker Magnets BSA 0125-250 Frequenzbereich 9 kHz ... 250 MHz Ausgangsleistung 250 W Gain min / typ. 54 / 56 ±2 dB Harmonics 2th / 3rd 20 / 18 dBc Leistungs- aufnahme 1500 W Abmessungen 5 HE, 630 mm Gewicht 50kg

PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Transverse Multibunch Feedback Kicker (prototype) source: Frank Obier Already installed for testing purpose in PETRA II Final construction of 6 Kickers, two kickers per direction, two kickers for reserve. Technical data: Pulse Power 250W Pulse Voltage 200V Pulse current 2,25A electrical strength 10kV Bandwidth >62.5MHz Impedance 50 Bdl 96µTm Conductor length 500mm

PETRA III Multibunch Feedback PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Signalfluß für longitudinale Richtung

PETRA III Multibunch Feedback Longitudinal Feedback Cavitys PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Longitudinal Feedback Cavitys

PETRA III WP 1.06. PETRA III Multibunch Feedback Frequency ranges for longitudinal damping Operation with 8ns bunch spacing using DSB modulation. Operation with 2ns bunch spacing using SSB modulation.

PETRA III Timing System System Overview: PETRA III WP 1.06. PETRA III Timing System System Overview: Optisches und elektrisches Netzerk - delaykompensiert. Jeder Nutzer bekommt ein Timing Modul. PETRA Bunch Uhr (PBU) Jedes der Timing Module enthält drei Einheiten für Timingsignale. Die Einheiten sind unabhängig einstellbar. Eine der Einheiten (auf der Rückseite) ist über V.24 steuerbar Alle Timing Signale stehen in TTL @ 50 Ω und NIM Standard zur Verfügung Zusätzlich liefert die PBU 125MHz und 500MHz Referenzsignale Ein Alphanumerisches Display gibt Auskunft über Status Informationen der Maschine Die PBU liefert drei Event Trigger Ausgänge TTL / NIM

PETRA III Timing System Users timing module PETRA III WP 1.06. PETRA III Timing System Users timing module Triggersignale sind in 1 ns Schritten einstellbar 125 MHz und 500 MHz Referenz Ausgänge Drei Event Trigger Ausgänge z.B. “Top-up mode”, “Injection” etc. Umlauffrequenz (TTL/NIM) Steuerung über V.24 Bunchfolgefrequenz oder 7 verschiedene Füllmuster (TTL/NIM)