Modellgestützte Analyse digitaler Hochfrequenz-Regelsysteme für ein Schwerionen-Synchrotron

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Verhaltens verschiedener Regelsysteme in einem Schwerionensynchrotron. Betrachtet werden Hochfrequenz-Regelsysteme, welche auf die zur Beschleunigung geladener Teilchen verwendeten elektrischen Felder einwirken, in Verbindung mit der Bewegung der Teilchen in Längsrichtung des Strahls. Die geforderte Präzision lässt sich bei den großen Abmessungen der Anlage nur durch ein verteiltes Regelsystem erreichen. Da das zu regelnde System stark nichtlineares Verhalten aufweist und das Gesamtsystem sehr komplex ist, ist eine rein analytische Betrachtung nicht möglich bzw. würde eine zu starke Vereinfachung bedingen. Stattdessen erfolgt die Untersuchung des Systemverhaltens mittels numerischer Simulationen. Diese Arbeit entstand aus einem Kooperationsprojekt zwischen dem Fachgebiet Mikroelektronische Systeme der Technischen Universität Darmstadt und dem GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Bis zum Jahre 2016 soll dort ein neues Schwerionensynchrotron errichtet werden; die Bauarbeiten dafür haben inzwischen begonnen. Ausgangspunkt der Arbeit war die Frage, ob ein existierendes Regelkonzept — nicht nur im idealen Fall, sondern auch in der Anwesenheit von Störeinflüssen wie Parameterabweichungen, Rauschen usw. — praktisch umsetzbar ist und wie das Konzept optimiert werden kann. Diese Arbeit stellt ein Systemmodell eines Schwerionensynchrotrons vor, welches die Strahldynamik, die beteiligten Beschleunigerkomponenten und die betrachteten Regler sowie die Kommunikation zwischen diesen umfasst, geht auf Simulationstechniken und verschiedene Vereinfachungen ein, die eingesetzt wurden, um dieses Modell in vertretbarer Zeit simulieren zu können, und weist nach, dass diese Vereinfachungen gerechtfertigt sind. Mit Hilfe dieses Modells werden anschließend verschiedene Fallstudien durchgeführt, um die Umsetzbarkeit des Regelkonzepts nachzuweisen, die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Störeinflüssen zu überprüfen und den Spielraum für zukünftige Erweiterungen auszuloten. Daraus ergeben sich einige konkrete Verbesserungsvorschläge. Mittels eines Vergleichs zwischen Simulationen und Experimenten an einem existierenden Teilchenbeschleuniger wird abschließend gezeigt, dass das Modell die physikalische Realität hinreichend genau abbildet.

In this thesis, we investigate the behavior of different radio frequency control systems in a heavy-ion synchrotron, which act on the electrical fields used to accelerate charged particles, along with the longitudinal dynamics of the particles in the beam. Due to the large physical dimensions of the system, the required precision can only be achieved by a distributed control system. Since the plant is highly nonlinear and the overall system is very complex, a purely analytical treatment is not possible without introducing unacceptable simplifications. Instead, we use numerical simulation to investigate the system behavior.

This thesis arises from a cooperation between the Institute of Microelectronic Systems at Technische Universität Darmstadt and the GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research. A new heavy-ion synchrotron, the SIS100, is currently being built at GSI; its completion is scheduled for 2016. The starting point for the present thesis was the question whether a control concept previously devised at GSI is feasible --- not only in the ideal case, but in the presence of parameter deviations, noise, and other disturbances --- and how it can be optimized.

In this thesis, we present a system model of a heavy-ion synchrotron. This model comprises the beam dynamics, the relevant components of the accelerator, and the relevant controllers as well as the communication between those controllers. We discuss the simulation techniques as well as several simplifications we applied in order to be able to simulate the model in an acceptable amount of time and show that these simplifications are justified. Using the model, we conducted several case studies in order to demonstrate the practical feasibility of the control concep, analyze the system's sensitivity towards disturbances and explore opportunities for future extensions. We derive specific suggestions for improvements from our results. Finally, we demonstrate that the model represents the physical reality faithfully enough by comparing results of some of our simulations with experimental results performed on an existing particle accelerator.