Masterarbeit im Studiengang Mikroelektronische Systeme

Präsentation zum Thema: "Masterarbeit im Studiengang Mikroelektronische Systeme"—  Präsentation transkript:

1 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

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

3 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

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

5 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

6 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

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

8 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

9 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

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

11 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

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

13 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)

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

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

16 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

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

18 Realisierung Front-End
Aufbau Front-End

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

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

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

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

23 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

24 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.

25 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

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

27 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

28 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit