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Entwicklung einer digitalen Hochfrequenzregelung für den gepulsten Betrieb des Protonenlinac Teststandes bei FAIR

Nonn, Patrick Walter :
Entwicklung einer digitalen Hochfrequenzregelung für den gepulsten Betrieb des Protonenlinac Teststandes bei FAIR.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung einer digitalen Hochfrequenzregelung für den gepulsten Betrieb des Protonenlinac Teststandes bei FAIR
Language: German
Abstract:

Am Standort des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung bei Darmstadt entsteht die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). Im Rahmen des Forschungsprogramms von FAIR sind Experimente mit Antiprotonenstrahlen geplant. Um den für die Produktion der Antiprotonen notwendigen hochintensiven Protonenstrahl bereitstellen zu können, wird ein neuer Linearbeschleuniger als Injektor für das Synchrotron SIS18 gebaut. Dieser p-Linac genannte Injektor soll so kurz wie möglich gehalten werden. Daher werden zur Hauptbeschleunigung von 3 MeV auf 70 MeV neuartige CH-Kavitäten verwendet. Ein HF-Teststand wird an der GSI aufgebaut, um diese neuartigen Kavitäten und ihre HF"~Versorgung testen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine gepulste 325 MHz HF-Regelung für diesen Teststand entwickelt. Diese basiert auf der HF-Regelung des S-DALINAC, die für den cw-Betrieb von normal- und supraleitenden Kavitäten bei 3 GHz ausgelegt ist.

Ziel dieser Arbeit ist es zum einen, die Betriebsfrequenz der HF-Regelung des S-DALINAC auf die 325 MHz des p-Linac anzupassen. Zum anderen muss die Reaktionszeit der Regelung deutlich verbessert werden, um innerhalb des 200 µs langen HF-Pulses das Feld in der Kavität mit einem relativen Amplitudenfehler von maximal 10^-3 und einem Phasenfehler von maximal 0,1° einzuregeln. Besonders kritisch ist auch die Zeit, die die Regelung benötigt, um diese Kriterien wieder zu erfüllen, nachdem der Strahlpuls das Feld der Kavität gestört hat.

Zunächst wurde mit analytischen und numerischen Methoden die Abhängigkeit der Regelgeschwindigkeit von verschiedenen Parametern der Regelung und der Kavität untersucht. Dazu wurde ein Modell für das Amplitudenverhalten einer Kavität im Basisband aufgestellt, welches durch Vergleich einer gemessenen mit einer berechneten Sprungantwort bestätigt wurde. Eine analytische Untersuchung zeigte die Abhängigkeit der idealen Regelparameter von der Zeitkonstanten der Kavität für I- und PI-Regler. Mit Hilfe von numerischen Simulationen konnte gezeigt werden, in welchem Maß sich die Totzeit negativ und eine Vorsteuerung positiv auf die Regelgeschwindigkeit auswirkt.

Für die Anpassung an die Betriebsfrequenz von 325 MHz wurde ein neues HF-Board entwickelt und erfolgreich getestet. Auch wurde in der Regelung die Fähigkeit implementiert, Integralregler bedingterweise anzuhalten, um Windup-Effekten entgegenzuwirken. Um die Reaktionszeit zu reduzieren, wurden die Aliasing-Filter der Analog-Digital-Wandler überarbeitet, der Amplitudendetektor wurde durch eine Amplitudenbestimmung auf Basis der I/Q-Signale ersetzt und die Regelung wurde um eine gepulste Vorsteuerung erweitert. Durch diese Maßnahmen konnte die Reaktionszeit um drei Viertel gesenkt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
At the site of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung near Darmstadt, the international Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) is under constuction. The research program of FAIR includes experiments with antiproton beams. In order to provide the high intensity proton beam, that is necessary to produce the antiprotons, a new linear accelerator, acting as injector to the SIS18 synchrotron, will be constructed. This linear accelerator, called p-Linac, shall be kept as short as possible. That is why novel CH-type cavities will be used for the main acceleration from 3 MeV to 70 MeV. In order to test these novel cavities and their supporting technology, an rf test stand is under construction at GSI. Within the scope of this thesis a pulsed 325 MHz control system has been developed as part of that test stand. It is based upon the cw rf control system of the superconducting Darmstädter Linearaccelerator (S-DALINAC), that is designed to drive normal- and superconducting cavities at 3 GHz. Aim of this thesis is, to adapt the frequency of S-DALINAC's rf control to p-Linac's 325 MHz at one hand and on the other hand, to improve the response time in order to achieve a relative amplitude error of below 10^-3 and a phase error below 0.1° within the 200 µs long rf pulses. The time that is needed in order to re-achieve the errors after the beam pulse hits the cavity, is also crucial. At first, the dependance of the control rate to various parameters of the cavity and the control has been tested by analytical and numerical methods. Therefore, the behavior of a cavity's amplitude in the base band has been modeled and confirmed by comparison of the model's and a measured step response of a cavity. The dependance of the I- and PI-control's parameters on the decay time of the cavity was shown by analytical methods. With the aid of numerical simulations the extent at which the response time is affected negatively by dead time and positively by feed forward has been shown. A new rf-module has been designed and tested in order to adopt to the working frequency of 325 MHz. To be able to counter integral wind-up-effects, the control gained the ability to conditionally hold an integrator. In order to reduce the response time the aliasing filters of the analog digital converter has been overhauled, the amplitude detector was replaced by an amplitude determination out of I/Q-signals and the controler was expanded by a pulsed feed forward. These measures lead to a drop in the response time by about three-quarter.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Hochfrequenzregelung, Teilchenbeschleuniger
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
RF-Control, Particle AcceleratorUNSPECIFIED
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 05 Aug 2014 06:40
Last Modified: 05 Aug 2014 06:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40658
Referees: Pietralla, Prof. Norbert and Klingbeil, Prof. Harald
Refereed: 16 June 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4065
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