Rauschquelle

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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
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Inhalt

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

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Motivation und Aufgabenstellung
FLASH (Freie-Elektronen-Laser-Hamburg)
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!) Bunchl
ängen hinter dem ersten Bunchkompressor lt 1mm
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Motivation und Aufgabenstellung
European XFEL
Funktionsprinzip mit FLASH vergleichbar
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Motivation und Aufgabenstellung
Resonator im FLASH -Wird angeregt durch die
diesen passierenden Elektronen -Anregung
verschiedener Moden
Mode bei 1,3GHz
gemessenes Spektrum
e
-relevante Frequenzen 1,3GHz, 3,24GHz, 5,07GHz
-TM0x Moden abhängig von der Bunchlänge -Andere
Moden zusätzlich abhängig von der Position des
Bunches
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Motivation und Aufgabenstellung
Messprinzip
Resonator
Front-End
Software
ADC
Aufgabenstellung -Entwicklung des Front-Ends
zur Amplitudenbestimmung -Verfahren zur
Bunchlängenbestimmung Bedingungen -Ladungsberei
ch 0,1 3nC -Bunchlängen 1,5
5,4mm -Singlebunch Erkennung
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Inhalt

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

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Messprinzip Bunchlänge
Eigenschaften des Resonators
q anregende Ladung S Sensitivität F Formfaktor
? Kreisfrequenz des jeweiligen Modes Z Leitungsimp
edanz Qext externe Güte der Ankopplung der
Antenne R/Q normalisierte shunt Impedanz
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Messprinzip Bunchlänge
Formfaktor für gaußförmige Ladungsverteilung im
Bunch
Formfaktor über Bunchlänge bei 1,3GHz
c Lichtgeschwindigkeit sz Bunchlänge
Formfaktor für rechteckförmige Ladungsverteilung
im Bunch
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Messprinzip Bunchlänge
Bestimmung der Bunchlänge durch
Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei
gaußförmiger Ladungsverteilung
mit
und
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Messprinzip Bunchlänge
Bestimmung der Bunchlänge durch
Verhältnisbildung zweier Spannungsamplituden -bei
rechteckförmiger Ladungsverteilung
mit
und
Lösung mit zweiter Näherung der Taylorreihe
 
 
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Inhalt

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

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Realisierung Front-End
Randbedingungen -DESY-ADC Auflösung 14bit Ab
tastrate 9MHz wählbarer Eingangsbereich /-
1V, /- 5V wählbare Eingangsimpedanz 50?,
1k? -Beschleuniger Zeitsystem Bunchwiederholrat
e 1MHz Makrofrequenz 10Hz
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Realisierung Front-End
Konzept
Im Folgendem eine kurze Beschreibung einzelner
Komponenten
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Realisierung Front-End
Messung der Bandpassfilter Charakteristik
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Realisierung Front-End
Dynamikbereich der Amplituden
 
0,1nC lt q lt 3nC ?
 
Ausgangskennlinie Detektorbaustein AD8318 bei
1,3GHz
Linearer Bereich -55dBm bis -5dBm ? 50dB
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Realisierung Front-End
Schaltplan Detektorschaltung
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Realisierung Front-End
Aufbau Front-End
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Realisierung Front-End
Ausgangskennlinien Detektorschaltung
Messaufbau
Ergebnis
Geradengleichungen der Ausgangskennlinien
 
 
 
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Realisierung Front-End
Funktionstest Detektorschaltung
Messaufbau
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Inhalt

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

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Charakterisierung Front-End
Ermittlung des Rauschens
Messergebnis
Messaufbau
mit
n100
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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
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Charakterisierung Front-End
Ergebnisse der Rechnung auf Basis der
Labormessungen
Mit Gleichungen der gaußförmigen Ladungsverteilung
Mit Gleichungen der rechteckförmigen Ladungsvertei
lung
blau Fehler der Bunchlänge ?s über Bunchlänge s
grün ?s s Minimal bestimmbare Bunchlänge
2,33mm.
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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
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Inhalt

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

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Zusammenfassung und Ausblick

• 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

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit