supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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5-73 Das Phasenstellglied besteht ebenfalls aus einem I/Q Modulator, der durch die Ansteuerung lediglich eine Phasenänderung bewirkt. PHA2 X Phasendetektor Resonanzfrequenz Regler Schrittmotor Piezo-Translator Puls 1 Att2 PHA1 I/Q modul. Att1 Att3 Amp Leistungsmessung for. ref. HWR splitter Feldsonde X X I/Q demodul. y HF-Generator Puls 1 Puls 2 Control unit I Q Setzwerte Abb. 5.6: Schematische Übersicht des HF-Systems eines Resonators. Die eingesetzten I/Q Modulatoren weisen eine LO (lokal Oszillator) Unterdrückung von typisch 45dB auf (siehe Kapitel 5.3.1). Über den gesamten Phaseneinstellbereich von 360° kann dies zu einer Phasenungenauigkeit von etwa 0,4° führen. Da es sich hierbei aber um einen systematischen Fehler handelt, reicht eine einfache Kalibrierung aus, diesen Fehler zu kompensieren und bei den DC-Einstellwerten zu berücksichtigen. Im Bereich des gewählten Arbeitspunktes der I/Q-Regelung ist dieser Fehler allerdings deutlich geringer. Zur weiteren Analyse wird ein messtechnisch bedingter Fehler von +/- 0,1° für jedes Phasenstellglied berücksichtigt. Zusätzlich erzeugt die Ansteuerung über einen DAC-Quantisierungsfehler. Bereits ein 12bit DAC reicht aus, den Quantisierungsfehler unter 0,25° zu halten. Höhere Genauigkeiten sind zur Einhaltung eines vorgegebenen Arbeitspunktes wegen des I/Q Regelkreises nicht notwendig, ermöglichen allerdings dann auch keine feinere Abstimmung. Langzeitmessung bei einer Temperaturänderung, wie sie auch im vorgesehenen Einsatzort auftreten können (+/- 2°), ergaben einen Phasenfehler von weniger als 0,1°/K. Unter Berücksichtigung einer angestrebten HF-Phasengenauigkeit von +/- 0,5° ist dies gerade noch tolerierbar und erfordert keine weitere Temperaturstabilisierung. Positiv wirkt sich aus, dass alle I/Q Phasenstellglieder inklusive der RFQ-Ansteuerung lokal in einem Steuerschrank integriert sind und somit ähnliche temperaturbedingte Änderungen erfahren, die auf den Strahl dann nur sehr geringen Einfluss haben. Ein weiteres Phasenstellglied (PHA2) wird im Resonanzfrequenzkreis benutzt. Zum einen dient es zur Nullpunktabgleichung für die verwendetet Phasen-Detektor Einheit, und zum
5-74 anderen kann die Kavität damit leicht verstimmt werden, um die Phasenänderung aufgrund des Strahles auszugleichen. Nach [Haebel96] lässt sich auch im vorliegenden Fall eine Verstimmung der Kavitäts- Resonanzfrequenz zur Kompensation der Phasenänderung aufgrund des Strahlstromes I B bestimmen zu: ω ω ⎛ R ⎞ I Q ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ( φS )*0,5 ∆ωL a B g − c = − L⎜ Q ⎟ sin * 0 U mit ω g : Generatorfrequenz, ω c : Resonanzfrequenz, Q L die optimierte Güte bei einem Strahlstrom von I B und einer Synchronenphase von φ s und daraus die Resonanzbreite ∆ω L sowie die Beschleunigungsspannung U. Im vorliegenden Fall ergibt sich aus Gl. (5.1) eine Resonanzfrequenzverstimmung von ∆f = 10 Hz zur optimalen Anpassung der Kavität unter Berücksichtigung der Strahllast. (5.1) Im Falle einer analogen Regelung wird ein weiteres Phasenglied zur Einstellung der Sollphase zwischen Detektion des Kavitätsfeldes durch die Feldsonde und I/Q Regelung benötigt. Dadurch wird die Synchronisation zwischen I/Q-Regelung und HF-System, bestehend aus Zuleitungen, Kavität und Feldprobe, erreicht. Bei einer digitalen Regelung kann dies durch eine Matrixoperation im DSP erfolgen, benötigt aber dennoch eine genaue Messung und lässt sich bei Systemänderungen nicht so schnell variieren wie dieses I/Q-Phasenglied. Die Pulsung zur Einstellung des Beschleunigungsfeldes wird über zwei Dämpfungsglieder gesteuert. Dabei wird über ein Triggersignal einerseits das Dämpfungsglied ATT1 angesteuert und die Vorwärts-Leistung erhöht, andererseits wird das Kavitätssignal über ATT2 reduziert, sodass nach Erreichen des Beschleunigungsfeldes die gleichen Bedingungen für den Regelkreis erfüllt sind. Ein zusätzlich über ein weiteres Triggersignal gesteuertes Dämpfungsglied erlaubt eine Vorsteuerung zur Kompensation des Beam-Loadings. Dieses Dämpfungsglied (ATT3 in Abb. 5.6) lässt sich in 0,5 dB Schritten einstellen und weist einen sehr geringen Phasenfehler auf. Alle Dämpfungsglieder inklusive Ansteuerlogik für zwei Kavitäten sind in einem VME- Einschub integriert (siehe Kapitel 5.3.3). Die Geschwindigkeitsanforderung einer I/Q-Regelung wird maßgeblich von den Strahlanforderungen und der Eigenschaften der Kavität bestimmt. Die gespeicherte Energie im Falle des 160 MHz Resonators beträgt etwa W K = 10 J. Bei einem angenommen Strahlstrom von I beam = 2 mA und einer Pulsdauer von 500 µs ergeben sich n = 500 µs * 160 MHz = 80000 Teilchenpakete mit einer Ladung von Q bunch = I beam * t/n = 12 pC pro Teilchenpaket. Der Energiegewinn pro Kavität beträgt etwa 1,1 MeV. Somit beträgt die pro Teilchenpaket aus der gespeicherten Feldenergie entnommene Energie ca. 13 µJ, die dem Feld über den Koppler wieder zugeführt werden muss. Ohne zusätzliche HF-Leistung würde es über 6500 Teilchenpakete oder 40 µs dauern, bis die gespeicherte Energie auf 1% abgefallen ist.
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