TU Darmstadt / ULB / TUprints

Development and commissioning of a digital rf control system for the S-DALINAC and migration of the accelerator control system to an EPICS-based system

Konrad, Martin :
Development and commissioning of a digital rf control system for the S-DALINAC and migration of the accelerator control system to an EPICS-based system.
[Online-Edition]
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Martin_Konrad_online.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (37MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Development and commissioning of a digital rf control system for the S-DALINAC and migration of the accelerator control system to an EPICS-based system
Language: English
Abstract:

The high resolution scattering experiments conducted at the superconducting Darmstadt electron linear accelerator S-DALINAC call for a small energy spread of (ΔE/E) ≈ 1×10⁻⁴ of the beam. This requires stabilization of amplitude and phase of the electric field inside the accelerating cavities to (ΔA/A)ᵣₘₛ = 8×10⁻⁵ and (Δφ)ᵣₘₛ = 0.7°. The design and the commissioning of a new digital rf control system is the subject of this thesis.

At the S-DALINAC two types of cavities are in use. The normal-conducting chopper and buncher cavities only need corrections for slow temperature drifts and can be controlled by a generator-driven resonator control algorithm. The superconducting accelerating cavities have a very high quality factor and thus are very susceptible to vibrations. Therefore they are operated in a self-excited loop.

The rf control system is based on in-house developed hardware that converts the rf signal down to the baseband, digitizes it and feeds it into an FPGA. Inside this FPGA, a soft digital signal processor executes the control algorithm. The resulting correction is modulated onto the rf signal again and sent back to the cavity.

All accelerator components are remote-controlled from a central room via an accelerator control system. Since complex and re-programmable devices are not supported well by the existing in-house developed control system, the design and implementation of a new accelerator control system is also subject of this thesis. Further important aspects are expandability, usability and maintainability of the system. Therefore the new accelerator control system uses the EPICS framework as a basis since it already provides much of the basic functionality like graphical user interfaces and flexible control servers that can be customized rapidly. This allowed the implementation of more advanced functionality like extensive read-out and diagnostics for the rf control system.

The read out data can be visualized with a software oscilloscope and a spectrum analyzer software. Additionally the system provides on-line rms errors that can be used to optimize the control parameters very precisely and to monitor the performance of the controllers.

Measurements show that the performance of the rf control system has been improved by one order of magnitude compared to the analog system, yielding a phase stability of (Δφ)ᵣₘₛ = 0.8° and an amplitude stability of (ΔA/A)ᵣₘₛ = 7×10⁻⁵ and thus meeting the specification.

The described rf control system has been commissioned and successfully used for beam operation for two years. During this time the system has proven to be significantly more stable and reliable than the old analog system.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
UNSPECIFIEDGerman
Die am supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC durchgeführten hochauflösenden Streuexperimente erfordern eine hohe Energieschärfe des Strahls von (ΔE/E) ≈ 1×10⁻⁴. Dies erfordert die Stabilisierung von Amplitude und Phase des elektrischen Felds im Inneren der Beschleunigungsstrukturen auf (ΔA/A)ᵣₘₛ = 8×10⁻⁵ und (Δφ)ᵣₘₛ = 0.7°. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Inbetriebnahme der dafür notwendigen digitalen Hochfrequenzregelung. Am S-DALINAC werden zwei Arten von Kavitäten verwendet. Die normalleitenden Chopper- und Buncher-Kavitäten benötigen lediglich Korrekturen für langsame Temperaturschwankungen und können durch einen Algorithmus geregelt werden, bei dem die Kavität von einem Generator getrieben wird. Die supraleitenden Beschleunigungsstrukturen weisen hingegen eine sehr hohe Güte auf, wodurch sie sehr empfindlich für Vibrationen sind. Daher werden sie in einer selbsterregten Schleife betrieben. Die Hochfrequenzregelung basiert auf hausintern entwickelter Hardware, welche das Hochfrequenzsignal ins Basisband heruntermischt, es digitalisiert und in einen FPGA einspeist. In diesem FPGA arbeitet ein einprogrammierter digitaler Signalprozessor den Regelalgorithmus ab. Die resultierende Korrektur wird wieder auf das Hochfrequenzsignal moduliert und zur Kavität geschickt. Alle Beschleunigerkomponenten werden von einem zentralen Kontrollraum ferngesteuert. Da komplexe und reprogrammierbare Geräte vom bestehenden Kontrollsystem nicht gut unterstützt werden, war der Entwurf und der Aufbau eines neuen Kontrollsystems ebenfalls Teil dieser Arbeit. Entscheidende Aspekte sind dabei die Erweiterbarkeit, Bedienbarkeit und Wartbarkeit des Systems. Das neue Beschleunigerkontrollsystem verwendet das EPICS-Framework als Basis, da dieses bereits einen Großteil der Basisfunktionalität wie graphische Benutzeroberflächen und flexible und schnell anpassbare Kontrollserver bereitstellt. Dies ermöglicht die Umsetzung komplexer Funktionalität wie z. B. eine umfassende Auslese und Diagnose für das HF-Regelungssystem. Die erfassten Daten können mit einem Software-Oszilloskop und einer Spektrumanalysesoftware dargestellt werden. Weiterhin werden kontinuierlich RMS-Fehler berechnet, die genutzt werden können, um die Regelparameter sehr präzise zu optimieren und die Leistung der Regler zu überwachen. Messungen ergaben, dass die Stabilität der Hochfrequenzregelung gegenüber dem analogen System um eine Größenordnung verbessert werden konnte, sodass nun eine Phasenstabilität von (Δφ)ᵣₘₛ = 0.8° und eine Amplitudenstabilität von (ΔA/A)ᵣₘₛ = 7×10⁻⁵ erreicht wird. Damit wird die Spezifikation im Rahmen der Messgenauigkeit erfüllt. Die beschriebene Hochfrequenzregelung wurde vor zwei Jahren in Betrieb genommen und wird seitdem erfolgreich für den Strahlbetrieb verwendet. Während dieser Zeit erwies sich die Hochfrequenzregelung als wesentlich stabiler und zuverlässiger als das alte analoge System.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: S-DALINAC, rf control, FPGA, soft DSP, control algorithm, generator driven resonator, self-excited loop, accelerator control system, EPICS
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
S-DALINAC, Hochfrequenzregelung, FPGA, Soft-DSP, Regelalgorithmus, getriebener Resonator, selbsterregte Schleife, Beschleunigerkontrollsystem, EPICSGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 634: Nuclear Structure, Nuclear Astrophysics and Fundamental Experiments at Low Momentum Transfer at the Superconducting Darmstadt Accelerator (S-DALINAC)
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 634: Nuclear Structure, Nuclear Astrophysics and Fundamental Experiments at Low Momentum Transfer at the Superconducting Darmstadt Accelerator (S-DALINAC) > E: Beschleunigerentwicklung
DFG-Collaborative Research Centres (incl. Transregio) > Collaborative Research Centres > CRC 634: Nuclear Structure, Nuclear Astrophysics and Fundamental Experiments at Low Momentum Transfer at the Superconducting Darmstadt Accelerator (S-DALINAC) > E: Beschleunigerentwicklung > E2: Energie- und Intensitätssteigerung
Date Deposited: 15 Aug 2013 10:12
Last Modified: 15 Aug 2013 10:12
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3398
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33981
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert and Klingbeil, Prof. Dr. Harald
Refereed: 15 April 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3398
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year