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Aufbau und Erprobung einer digitalen HF-Regelung und Aufbau eines modularen Messystems zur Energiestabilisierung fuer den S-DALINAC

Araz, Asim :
Aufbau und Erprobung einer digitalen HF-Regelung und Aufbau eines modularen Messystems zur Energiestabilisierung fuer den S-DALINAC.
Institut für Kernphysik
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Araz_Aufbau_und_Erprobung_einer_digitalen_HF-Regelung_und_Aufbau_eines_modularen_Messystems_zur_Energiestabilisierung_fuer_den_S-DALINAC_Dissertation_2009.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aufbau und Erprobung einer digitalen HF-Regelung und Aufbau eines modularen Messystems zur Energiestabilisierung fuer den S-DALINAC
Language: German
Abstract:

Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war der Aufbau und die Erprobung einer digitalen Hochfrequenzregelung für den supraleitenden Darmstädter Elektronenbeschleuniger S-DALINAC, welche aus einem Niederfrequenz- und einem Hochfrequenzmodul besteht. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Hoch- frequenzmodul ist aus modernen integrierten Bauteilen aufgebaut, die neben verbesserten Hochfrequenzeigenschaften auch eine Temperaturstabilisierung besitzen. Gegenwärtig werden drei supraleitende Strukturen über einen Pegelwandler mit den neuen Modulen betrieben, so dass seine Praxistauglichkeit bewiesen ist. Ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neu entwickeltes Niederfrequenzmodul in Betrieb genommen, das im Unterschied zu der existierenden Regelung keine analoge, sondern eine digitale Signalverarbeitung mit einer schnellen Recheneinheit (FPGA, Field Programmable Gate Array) durchführt. Durch die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit des neuen Niederfrequenzmoduls ist es gelungen, einen neuen, im Vergleich zur bestehenden Regelung komplexeren, Regelalgorithmus für die digitale Regelung zu entwickeln. In diesem Algorithmus wurde, sowohl in der Amplituden- als auch in der Phasenregelung, zu dem existierenden Proportionalregler ein Integralregler ergänzt. Dadurch ist die digitale Regelung in der Lage, selbst kleinste Restfehler auszugleichen, die von reinen Proportionalreglern nicht ausgeglichen werden können. Weiterhin wurde der Regelbereich der Phasenregelung durch Implementierung einer Vektorrotation auf ±180° erweitert. Ein Fangen der Regelung zu falschen Parametern wird duch eine geänderte Amplitudenmodulation verhindert. Mit diesen beiden Modulen, dem Hochfrequenz- und dem Niederfrequenzmodul, wurde die erste digitale Hochfrequenzregelung für den S-DALINAC aufgebaut und an einer supraleitenden Niobstruktur erfolgreich erprobt. Mit der Regelung ist unter Betriebsbedingungen eine Amplitudenstabilität von 2.5·10−4 und eine Phasenstabilität von 0.28° erreicht worden. Verglichen mit der bisherigen Regelung wird durch das neue System die Amplitudenstabilität um den Faktor 8 verbessert, wobei die Phasenstabilität vergleichbar ist. Um die geforderte Amplitudenstabilität von 8·10−5 zu erreichen, sind weitere Verbesserungen im Regelalgorithmus vorzunehmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus ein universelles und modulares Messsystem in Betrieb genommen. Dies bildet das Herzstück einer aktiven Energiestabilisierung des Elektronenstrahls mittels Flugzeitmessung. Dafür wurde die notwendige Messvorrichtung aufgebaut. Bei der Erprobung konnte gezeigt werden, dass mit diesem System relative Energieabweichungen von 7.6·10−5 gemessen werden können. Ferner wird das modulare Messsystem zwischenzeitlich zur Diagnose und Verarbeitung weiterer Signale verwendet. Hierzu gehören die Erfassung der Strahlströme, die Uberwachung von Temperaturen und die Kontrolle der Hochspannung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The subject of this thesis was to construct and test a digital radio-frequency control system for the superconducting Darmstadt electron accelerator S-DALINAC. The controller consists of two components, a low-frequency and a high-frequency module. The high-frequency module developed within this framework is constructed from modern integrated circuits that offer, besides enhanced high-frequency properties, a built-in temperature stabilization. Currently, three superconducting cavities are controlled by the new modules via level converters, thus proving the suitability, and reliability in operation. A new low-frequency module was also commissioned during the course of the present work. It is based, in contrast to the existing control loops, not on analogue but on digital signal processing provided by fast Field Programmable Gate Arrays (FPGA). The fast signal processing capabilities of the new low-frequency unit enabled the implementation of a new, compared to the existing circuit, more advanced control algorithm for the digital control. Within this algorithm integral controllers were added to the proportional controllers in the amplitude as well as in the phase control loops. The digital control can now correct smallest residual errors that could not be compensated by the existing proportional controllers. Additionally, the phase control range was increased to ±180° by the implementation of a vector rotation. Spurious fix points of the control loop were prevented by a modified amplitude modulation. With these two components, namely, the high- and low-frequency module, the first digital radio-frequency control loop for the S-DALINAC was realized and successfully tested, operating on a superconducting cavity. Under typical operation conditions, an amplitude stability of 2.5·10−4 and a phase stability of 0.28° were emonstrated. Compared to the current control loops this implies an improved amplitude stability by a factor of 8, while the phase stability remains approximately unchanged. To achieve the required amplitude stability of 8·10−5 further improvements to the control algorithm are needed. Within the framework of this thesis, an universal and modular data acquisition system was put into operation, being the basis of an active energy stabilization system for the electron beam by means of time of flight analysis. The required analysing system was designed and installed. First tests showed that relative energy shifts of 7.6·10−5 can be measured reliably. Meanwhile, the modular data acquisition system is used for diagnostic purposes and for the processing of additional signals. These include the acquisition of beam currents, the monitoring of temperatures and the control of the high-voltage platform.English
Uncontrolled Keywords: HF-Regelung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
HF-RegelungGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Kernphysik
Date Deposited: 12 Oct 2009 06:12
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19105
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Richter, Professor Achim and Enders, Professor Joachim
Refereed: 22 July 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1910
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