Institut für Angewandte Physik LINAC AG. Tuning. Prof. Dr. H. Podlech 1

Transkript

1 HF Kopplung Tuning Prof. Dr. H. Podlech 1

2 Einkopplung von HF-Leistung Wie kann man Hochfrequenzleistung in Resonatoren einkoppeln? Prof. Dr. H. Podlech 2

3 Hochfrequenzeinkopplung Grundsätzlich gilt: Die Kopplungsstärke ist ein Maß für die Wechselwirkung des Kopplers mit dem Feld des Resonators am Ort des Kopplers! Stärkeres Feld oder größerer Koppler bedeuten stärkere Kopplung Viel hilft viel?? Prof. Dr. H. Podlech 3

4 Hochfrequenzeinkopplung Natürlich nicht Die Kopplung sollte so groß sein, dass die reflektierte Leistung minimal i wird Kritische Kopplung β=1 Q e =Q 0 Prof. Dr. H. Podlech 4

5 Leistungsdefinitionen P f =Vorwärtsleistung P r =Reflektierte Leistung P i=leistung, die in Resonator gelangtg P e =Leistung, die aus Einkoppler strömt P t =transmittierte Leistung P c =Verluste im Resonator P e P f P r P t P c Prof. Dr. H. Podlech 5

6 Einschalten der Hochfrequenz Ein Tild Teil der Vorwärtsleistung t wird idreflektiert, t der Rest gelangt in den Resonator Ein Teil der in den Resonator gelangten Leistung wird über den Pickup ausgekoppelt und ein Teil wird im Resonator dissipiert Der Rest der Leistung wird verwendet, um die gespeicherte Energie zu erhöhen Alle Größen (außer P f ) sind zeitabhängig Prof. Dr. H. Podlech 6

7 Abschalten der Hochfrequenz Nach dem Abschalten ist die Vorwärtsleistung null Die gespeicherte Energie nimmt ab (entsprechend auch P t, P c ) Ein Teil der gespeicherten Energie strömt aus dem Einkoppler zurück und erschein als reflektierte Leistung Alle Größen sind zeitabhängig Prof. Dr. H. Podlech 7

8 Einkopplung von Hochfrequenz Unbelastete oder intrinsische Güte Prof. Dr. H. Podlech 8

9 Einkopplung von Hochfrequenz Wir betrachten einen Resonator im Gleichgewicht mit einer gespeicherten Energie W 0 Zum Zeitpunkt t=0 schalten wir die Hochfrequenz ab W fällt ab Belastete Güte Prof. Dr. H. Podlech 9

10 Hochfrequenzkopplung intrinsisches Q belastetes Q externes Q externes Q pickup Prof. Dr. H. Podlech 10

11 Kopplungsfaktor β Kopplungsfaktor des Einkopplers Kopplungsfaktor des Auskopplers Kopplungsstärke des Einkopplers typischerweise 2 Größenordnungen größer als die des Auskopplers Prof. Dr. H. Podlech 11

12 Hochfrequenzeinkopplung Durch den Kopplungsparameter β lässt sich die reflektierte Leistung P r steuern. Im Gleichgewichtsfall soll diese i.d.r. null werden. Prof. Dr. H. Podlech 12

13 Hochfrequenzeinkopplung Es gibt zwei grundsätzliche Methoden der Einkopplung Magnetisch (Induktiv) Elektrisch (Kapazitiv) Prof. Dr. H. Podlech 13

14 Kapazitive Einkopplung A IC Prof. Dr. H. Podlech 14

15 Kapazitive Einkopplung A IC Prof. Dr. H. Podlech 15

16 Kapazitive Einkopplung 50 Ω Prof. Dr. H. Podlech 16

17 Kapazitive Einkopplung 50 Ω kreisförmig Prof. Dr. H. Podlech 17

18 Kapazitive Einkopplung Koppler in Pillbox mit TM 010 -Mode auf der Achse mit E r =E 0 Ende Kopplertip am Deckel Prof. Dr. H. Podlech 18

19 Kapazitive Einkopplung CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 19

20 Kapazitive Einkopplung CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 20

21 Kapazitiver Leistungskoppler Requirements: 325 MHz 60 kw pulsed power 1% duty cycle 10 ma beam current 1 ms pulses Fermilab (Project X)/IAP Prof. Dr. H. Podlech 21

22 Induktive Einkopplung B-Feld A s Leistung P s durch die Schleifenfläche A s induziert Schleifenspannung U s Prof. Dr. H. Podlech 22

23 Induktive Einkopplung Prof. Dr. H. Podlech 23

24 Induktive Einkopplung Prof. Dr. H. Podlech 24

25 Induktive Einkopplung allgemein pillbox Prof. Dr. H. Podlech 25

26 Induktive Einkopplung 1/ω 100W 1/B 0 2 Prof. Dr. H. Podlech 26

27 Induktive Einkopplung CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 27

28 Induktive Einkopplung Pillbox Prof. Dr. H. Podlech 28

29 Tuning von Resonatoren Frequenztuning Feldtuning Von einander abhängig Prof. Dr. H. Podlech 29

30 Tuning von Resonatoren Grundidee: Jede Störung des Resonators bewirkt eine Änderung der gespeicherten Energie und der Eigenfrequenz Slater-Theorem In guter Näherung 1 Prof. Dr. H. Podlech 30

31 Tuning von Resonatoren Normalerweise Gleichgewicht zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Teil der gespeicherten Energie W e =W m =0.5W Volumenänderung und Verdrängung von Feld führen zu einem Ungleichgewicht (i.d.r) zwischen magnetischem und elektrischen Anteil, das durch eine Veränderung der Felder ausgeglichen wird. Prof. Dr. H. Podlech 31

32 Tuning von Resonatoren Getrennte Behandlung von magnetischem und elektrischem Einfluss Prof. Dr. H. Podlech 32

33 Tuning von Resonatoren: Pillbox Längenänderung Magnetischer Anteil Prof. Dr. H. Podlech 33

34 Tuning von Resonatoren: Pillbox Längenänderung Elektrischer Anteil Prof. Dr. H. Podlech 34

35 Tuning von Resonatoren: Pillbox Längenänderung Mit ergibt sich: Prof. Dr. H. Podlech 35

36 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 36

37 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 37

38 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 38

39 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 39

40 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 40

41 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Messung Simulation Prof. Dr. H. Podlech 41

42 Test des Piezotuners Prof. Dr. H. Podlech 42

43 Forwarded Piezo signal Pick-up Prof. Dr. H. Podlech 43

44 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 44

45 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 45

46 Tuning von Resonatoren: CH-Struktur Prof. Dr. H. Podlech 46

47 AktuelleTunerentwicklungen Blade-Tuner für elliptische Kavitäten Prof. Dr. H. Podlech 47

48 Aktuelle Tunerentwicklungen Balg-Tuner für CH-Strukturen Prof. Dr. H. Podlech 48

49 Aktuelle Tunerentwicklungen Balg-Tuner für CH-Strukturen Tuner type Unit Δf Drivenby Fast tuner Hz/ µm 130 Step motor + Piezo actuator Slow tuner khz/ mm 130 Step motor Prof. Dr. H. Podlech 49

50 Tunerantrieb CH-Kavitäten Prof. Dr. H. Podlech 50

51 Tuner Antrieb SKF ball bearings (with WS2 LAMCOAT coating) Screw nut (with WS2 LAMCOAT coating) CuBe spindle (with WS2 LAMCOAT coating) Piezo actuator P 842K155 (Physik Instrumente) AISI 316L / Al Stepper Motor and Harmonic Drive (Phytron VSS UHVC 52) Prof. Dr. H. Podlech 51

52 325 MHz Kavität: Tuning Range Balg-Tuner Prof. Dr. H. Podlech 52

53 325 MHz Kavität: Frequenz Tuning Prof. Dr. H. Podlech 53

54 Drucksensitivität 325 MHz CH-Kavität Prof. Dr. H. Podlech 54