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Entwicklung und Anwendung eines Systems zur Messung von Hochfrequenz-Leistungen und Automatisierung der optimierten Einstellung der digitalen Hochfrequenz-Regelung des S-DALINAC

Steinhorst, Manuel (2021):
Entwicklung und Anwendung eines Systems zur Messung von Hochfrequenz-Leistungen und Automatisierung der optimierten Einstellung der digitalen Hochfrequenz-Regelung des S-DALINAC. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017594,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Entwicklung und Anwendung eines Systems zur Messung von Hochfrequenz-Leistungen und Automatisierung der optimierten Einstellung der digitalen Hochfrequenz-Regelung des S-DALINAC
Language: German
Abstract:

Der Elektronenbeschleuniger S-DALINAC kann seit 2017 als energierückgewinnender Linearbeschleuniger betrieben werden. Um die Effizienz dieser Energierückgewinnung zu bestimmen, müssen die Leistungen der Hochfrequenz-Wellen innerhalb der Beschleunigungsstrukturen gemessen werden. Am S-DALINAC existierte bislang noch kein System zur simultanen Messung von Hochfrequenz-Leistungen aller Beschleunigungsstrukturen. Der erste Teil dieser Arbeit erläutert das dafür entwickelte System. Neben einem Überblick der Infrastruktur des Beschleunigers und den wichtigsten Grundlagen wird der Aufbau des neuen Messsystems beschrieben. Es wird auf die Kalibration der einzelnen Komponenten des Messsystems und der Hochfrequenz-Infrastruktur eingegangen, welche bis auf eine Unsicherheit von 2,1 % im Arbeitsbereich vorgenommen werden konnte. Zum Zeitpunkt dieser Arbeit steht die Demonstration zur Bestimmung der Effizienz der Energierückgewinnung noch aus, weshalb die Funktionsweise anhand theoretischer Rechnungen aufgezeigt wird. Zusätzlich stellt das aufgebaute System neue Diagnosemöglichkeiten für den S-DALINAC zur Verfügung. In diesem Rahmen wurde das bestehende System zur In-Situ Gütemessung der Beschleunigungsstrukturen um das neue Hochfrequenz-Leistungsmesssystem erweitert. Die Eignung des Systems wird anhand einer Beispielmessung demonstriert. Zudem wird eine Messung der mittleren Energiegewinne jeder Beschleunigungskavität mit dem System vorgestellt, die mit einer Unsicherheit von 1 % durchgeführt werden konnte. Abschließend wird auf die Anwendung als longitudinales Diagnose-Werkzeug anhand der mittleren Energiegewinne eingegangen. Die Hochfrequenz-Regelung des S-DALINAC ermöglicht eine präzise Beschleunigung des Elektronenstrahls, indem die beschleunigenden elektrischen Wechselfelder konstant gehalten werden. Dies ermöglicht eine hohe Energieauflösung für die Experimente am Beschleuniger. Die Hochfrequenz-Regelung trägt dennoch zur Verbreiterung der Energie des Elektronenstrahls bei. Dies reduziert die Energieauflösung am Experiment und ist abhängig von der Einstellung der Regelung. Um diesen Beitrag zu minimieren, wurde in dieser Arbeit ein Algorithmus entwickelt, welcher das Prinzip der störungsbasierten Extremwertregelung verwendet. Indem eine sog. Kostenfunktion minimiert wird, passt dieser Algorithmus die Einstellung der Regelung an, sodass der erwähnte Beitrag minimal wird. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird sowohl das grundlegende Prinzip als auch die Anpassung mitsamt der Integration der Extremwertregelung in die spezifische Infrastruktur des S-DALINAC erläutert. Zur Anpassung der Extremwertregelungsgrößen vor dem Einsatz am Beschleuniger wurden Simulationen angefertigt, welche Ausschnittsweise in dieser Arbeit gezeigt werden. Zusätzlich werden an der realen Beschleunigeranlage getätigte Messungen vorgestellt. In einer Messung ohne Elektronenstrahl wurde die Güte der Hochfrequenz-Regelung optimiert. Die Verringerung der Energiebreite um bis zu 21 % wird anhand einer weiteren Messung mit Elektronenstrahl demonstriert. Zusätzlich zur Optimierung der Einstellung der Hochfrequenz-Regelung wird abschließend ein endlicher Automat zur Einregelung der supraleitenden Beschleunigungsstrukturen beschrieben. Dieser dient im Verbund mit der Extremwertregelung einer vollständig automatisierten Einstellung und Optimierung der Beschleunigungsstrukturen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The electron accelerator S-DALINAC is operable as an energy recovery linear accelerator since 2017. To measure the efficiency of the energy recovery process, powers of radiofrequency waves in the accelerating structures have to be measured. Previously, there was no system to detect radiofrequency powers at the S-DALINAC for all accelerating structures simultaneously. A suitable system was developed and is described in the first part this thesis. Besides an overview of the infrastructure of the accelerator and the basics, the structure of the new measuring system is given. The calibration of the measurement system components and the radiofrequency infrastructure is discussed, which was accomplished with an uncertainty of 2.1 % . The demonstration for determining the performance of the energy recovery with the new power measurement system is still pending. Therefore, the functionality is shown on the basis of theoretical calculations. In addition to the application for determining the performance of the energy recovery mode, the new power measurement setup provides new diagnostic options for the S-DALINAC. As part of this, the existing system for the in-situ quality factor measurement of the accelerating structures was upgraded with the new radiofrequency power measurement system. The present work demonstrates the capability of the system by an example measurement. Additionally, the measurement of the mean energy gains of each acceleration cavity with the system is presented, which could be done with an uncertainty of 1 % . Finally, the application as a longitudinal diagnostic tool using mean energy gains is explicated. The radiofrequency control of the S-DALINAC enables a precise acceleration of the electron beam by keeping the accelerating alternating electric fields constant. This results in a high energy resolution for the experiments on the accelerator. The radiofrequency control nevertheless contributes to an increase of the energy spread of the electron beam, leading to a reduction of the energy resolution at the experiments, which depends on the setting of the control. In order to minimize the contribution of the radiofrequency control to the energy resolution, an algorithm was developed within this work, built on the disturbance-based extremum-seeking control. By minimizing a so-called costfunction, it adjusts the setting of the control, so that the mentioned contribution is minimized. In the second part of the present work, the basic principle as well as the adaptation and integration of the extremum-seeking control into the specific infrastructure of the S-DALINAC is explained. Simulations were done, to adjust the extremum-seeking control parameters before the use on the accelerator. An extract of these is shown in this work. Additionally, to the simulations, measurements done at the real accelerator are presented. Via a measurement without electron beam the optimization of the radiofrequency control performance is shown. By another measurement with electron beam the reduction of the energy spread of up to 21 % is demonstrated. Finally, a finite state machine for setting up the superconducting acceleration structures is described. In conjunction with the extremum-seeking control, this serves for a fully automated setting and optimization of the acceleration structures.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 161 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstruktur und S-DALINAC
TU-Projects: DFG|GRK2128|TP Pietralla
Date Deposited: 29 Mar 2021 14:41
Last Modified: 29 Mar 2021 14:41
DOI: 10.26083/tuprints-00017594
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-175947
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert and Klingbeil, Prof. Dr. Harald
Refereed: 21 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17594
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