Masterarbeit im Studiengang Mikroelektronische Systeme 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

Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick

Motivation und Aufgabenstellung FLASH (Freie-Elektronen-Laser-Hamburg) Bunchlängenmessung wichtig, besseres Einstellen der Maschine Abweichungen fallen sofort auf Erzeugung eines Bunches → Beschleunigung → Verkürzung des Bunches → Beschleunigung → weitere Verkürzung → Erzeugung von intensiven Laserpulsen → Verwendung des erzeugten Pulses in Experimenten Ladung: 0,1 – 3nC (typisch 1nC) Bunchlänge: 1,5 – 5,4mm (vor dem ersten Bunchkompressor!) Bunchlängen hinter dem ersten Bunchkompressor < 1mm

Motivation und Aufgabenstellung European XFEL Photonen (Laserpuls) mit kleiner Wellenlänge  Auflösung kleinerer Strukturen Funktionsprinzip mit FLASH vergleichbar

e Motivation und Aufgabenstellung Resonator im FLASH -Wird angeregt durch die diesen passierenden Elektronen -Anregung verschiedener Moden gemessenes Spektrum Mode bei 1,3GHz e -TM0x Moden abhängig von der Bunchlänge -Andere Moden zusätzlich abhängig von der Position des Bunches -relevante Frequenzen: 1,3GHz, 3,24GHz, 5,07GHz

Motivation und Aufgabenstellung Messprinzip Resonator Front-End ADC Software Aufgabenstellung: -Entwicklung des Front-Ends zur Amplitudenbestimmung -Verfahren zur Bunchlängenbestimmung Bedingungen: -Ladungsbereich 0,1 – 3nC -Bunchlängen 1,5 – 5,4mm -Singlebunch Erkennung

Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick

Messprinzip Bunchlänge Eigenschaften des Resonators: q anregende Ladung S Sensitivität F Formfaktor Normierte Shunt-Impedanz: gibt an, wie stark der Bunch „gebremst“ wird, bzw. wie viel Energie er verliert ω Kreisfrequenz des jeweiligen Modes Z Leitungsimpedanz Qext externe Güte der Ankopplung der Antenne R/Q normalisierte shunt Impedanz

Messprinzip Bunchlänge Formfaktor für gaußförmige Ladungsverteilung im Bunch Formfaktor über Bunchlänge bei 1,3GHz c Lichtgeschwindigkeit σz Bunchlänge Formfaktor für die höheren Frequenzen fällt schneller ab Formfaktor für rechteckförmige Ladungsverteilung im Bunch 9

Messprinzip Bunchlänge Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei gaußförmiger Ladungsverteilung: mit und

Messprinzip Bunchlänge Bestimmung der Bunchlänge durch Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei rechteckförmiger Ladungsverteilung: mit und Systematischer Unterschied im ungünstigsten Fall bei Verwendung der Näherung Lösung mit zweiter Näherung der Taylorreihe    

Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick

Realisierung Front-End Randbedingungen: -DESY-ADC: Auflösung: 14bit Abtastrate: 9MHz wählbarer Eingangsbereich: +/- 1V, +/- 5V wählbare Eingangsimpedanz: 50Ω, 1kΩ -Beschleuniger Zeitsystem: Bunchwiederholrate 1MHz Makrofrequenz 10Hz t I 100ms Tastverhältnis ~ 0.8% (XFEL 0.65%) 1-9 mA 800s (XFEL 650s) Ipeak~ 2.5 kA Makropuls 1.0s (XFEL 222ns) Bunchabstand Makrofrequenz = Bunchtrainwiederholrate XFEL: ca.3000 Pulse im Makropuls (genau 2928 Pulse)

Realisierung Front-End Konzept Im Folgendem eine kurze Beschreibung einzelner Komponenten

Realisierung Front-End Messung der Bandpassfilter Charakteristik Frequenzgänge Tschebyscheff-Filter

Realisierung Front-End Dynamikbereich der Amplituden   0,1nC < q < 3nC →   Ausgangskennlinie Detektorbaustein AD8318 bei 1,3GHz Eingangsfrequenz AD8318: 1MHz – 8GHz Linearer Bereich -55dBm bis -5dBm → 50dB

Realisierung Front-End Schaltplan Detektorschaltung Delay-Line 8Bit Codierung Dillschalter, 255*1nS Schritte Referenzspannung

Realisierung Front-End Aufbau Front-End

Realisierung Front-End Ausgangskennlinien Detektorschaltung Messaufbau Ergebnis Referenzspannung Geradengleichungen der Ausgangskennlinien      

Realisierung Front-End Funktionstest Detektorschaltung Messaufbau Nur Labortest, da Beschleuniger abgeschaltet (keine Beammessung möglich) Single-Bunch Erkennung Messergebnis mit falsch eingestellter Verzögerung Messergebnis

Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick

Charakterisierung Front-End Ermittlung des Rauschens Messergebnis Messaufbau mit n=100

Charakterisierung Front-End 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 Gleiches Verfahren ebenfalls für die anderen Spannungsverhältnisse der gaußförmigen Ladungsverteilung sowie für die Gleichungen der rechteckförmigen Ladungsverteilung

Charakterisierung Front-End 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 Minimal bestimmbare Bunchlängen in Abhängigkeit der Eingangsleistung Eingangsleistungs- Bereich [dBm] 2,33 4,13 2,95 2,4 4,3 3,08 2,65 4,35 3,05 2,7 4,68 3,42 3,04 5,52 4 3,98 7,2 5,45 Ausgangsleistung des Resonators so hoch, dass bei 0,1nC der hohe Leistungsbereich erreicht wird Dämpfungsglied muss vorgeschaltet werden

Inhalt Aufgabenstellung und Motivation Messprinzip Bunchlänge Realisierung Front-End Charakterisierung Front-End Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung und Ausblick Minimal bestimmbare Bunchlänge 2,33mm Test des Front-Ends am Beschleuniger Einbinden der ADC Kanäle ins DESY-Netz Implementieren der Rechnung zur Bunchlängenbestimmung in die Kontrollsysteme

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit