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

• Main Author: Steinhorst, Manuel
• Format: Others
• Language: de
• Published: 2021
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/17594/2/Dissertation_Steinhorst_2020_v1.pdf; Steinhorst, Manuel <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Steinhorst=3AManuel=3A=3A.html> (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 <https://doi.org/10.26083/tuprints-00017594>, [Ph.D. Thesis]

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.