Untersuchungen zur Verbesserung der Auflösung am TTF2 Strahllage-Meßsystem : Knopf-Monitor u. BPM-Elektronik Typ A

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1 Untersuchungen zur Verbesserung der Auflösung am TTF2 Strahllage-Meßsystem : Knopf-Monitor u. BPM-Elektronik Typ A 1. Ausgangssituation Jorgen Lund-Nielsen, Wolfgang Riesch DESY, Standort Zeuthen, Anlaß für die folgenden Untersuchungen ist die unzureichende Funktion des TTF2 Strahllage-Meßsystems bestehend aus Knopf-Monitor und BPM-Elektronik Typ A. Eine Zusammenstellung aller überprüften Monitorsysteme bzgl. der erreichten Auflösung ist in Abb.1 dargestellt. Die, mit der neuen Elektronik ausgerüsteten, Strahllage-Meßstrecken sind : a) Pickup Monitor + Elektronik Typ A (rot), sowie b) Stripline Monitor + Elektronik Typ B (blau). Der Grafik kann man entnehmen, daß die größten Auflösungsprobleme bei der Auswertung der Pickup-Monitore im Undulatorbereich auftreten. Hierfür kann es verschiedene Ursachen geben, z.b.: a) Überlagerte Signalstörungen, b) keine ausreichende Signalamplitude, c) Fehler in der BPM-Elektronik. Im Folgenden soll näher Pkt. b -keine ausreichende Signalamplitude- untersucht werden. Entsprechende Hinweise auf diese Problematik lassen sich aus dem extrem unterschiedlichen Verhalten von nahezu baugleichen Monitor-Elektroniken ableiten. Dazu wird die BPM-Elektronik (Nr.37, Typ A) bezüglich Signal/Rausch Verhalten zunächst im Labor untersucht. 2. Messungen Für die Durchführung der Untersuchungen werden mittels Impulsgenerator zwei, voneinander unabhängig einstellbare, Pulse generiert, die in Form und Größe den Original-Monitorsignalen (Knopf-Pickup) entsprechen. 2.1 S/N-Verhalten der BPM-Elektronik bzgl. der Eingangs-Signalamplitude (Abb.2) Ziel dieser Untersuchung ist es, sowohl den eingangsseitigen Dynamikbereich der Elektronik, als auch den ausgangsseitigen S/N-Abstand, zu ermitteln. Dazu sollen drei Meßreihen aufgenommen werden: a) Elektronik-Parameter für Große Knöpfe (blau) ohne Zusatzverstärkung, b) Elektronik-Parameter für Kleine Knöpfe (rot) ohne Zusatzverstärkung, c) Elektronik-Parameter für Große Knöpfe (grün) mit Zusatzverstärkung

2 Die Eingangspulse werden für beide Kanäle aus einer Quelle über einen Leistungsteiler gespeist und gemeinsam in der Amplitude variiert. In Abhängigkeit davon verändert sich der Rauschanteil des Ausgangssignals der BPM-Elektronik (Abb.2). Dabei liegt der eingangsseitige Dynamikbereich zwischen dem Einflußbereich der Komparatorschwelle (steiler Anstieg der Rauschspannung) und dem 1 db-kompressionspunkt des Verstärkers (rechter, grün schraffierter Balken). Im nächsten Schritt sollen die realen Eingangsamplituden für die Fälle Pkt. a) und b) ermittelt werden. Da uns bezüglich der Monitore keine signalspezifischen Informationen (Koppel-Impedanz usw.) zugänglich waren, soll dieser Parameter aus den Daten der gemessenen Ablageunsicherheit x rms, y rms (Abb.1) und der mittleren Umsetzungskonstante c tot (mv/mm) von Monitor + Elektronik (Abb.3) bestimmt werden: Fall a) : x rms = 60 µm (günstigster Wert, BC2), c tot = 114 mv/mm U Noise, OUT = 5 * x rms * c tot = 34 mv pp (blauer, schraffierter Balken) DynIn = 12 db (Eingangsseitiger Dynamikbereich) Fall b) : x rms = 80 µm (günstigster Wert, im Undulator), c tot = 114 mv/mm U Noise, OUT = 5 * x rms * c tot = 46 mv pp (roter, schraffierter Balken) DynIn = 6 db (Eingangsseitiger Dynamikbereich) Da in beiden Fällen die günstigsten Ablageunsicherheiten eingesetzt wurden, liegen die realen Eingangsspannungen immer links der entsprechenden Markierungsbalken. In diesem Bereich wird jedoch der Funktionsbereich der BPM-Elektronik verlassen, da die geringen Signalamplituden sehr hohe ausgangsseitige Rauschspannungen zur Folge haben was dann zu den schlechten Ablage-Meßwerten führt. Als Ergebnis muß festgestellt werden, daß der Signal-Amplitudenbereich der Monitorquelle nicht optimal in das Eingangs-Signalfenster der BPM-Elektronik paßt. Es besteht ein Defizit an installierter Verstärkung bei den aktuell verwendeten TTF2- Strahlparametern (q < 1nC). Um ausreichenden Signalpegel am Komparator der BPM-Elektronik unter den jetzigen Bedingungen sicherzustellen, wird mittels eines Vorverstärkers der Eingangspegel um ca. 14 db angehoben: Fall c): U Noise, OUT = 20 mv pp (grüner, schraffierter Balken) x rms = U Noise, OUT /(5* c tot ) = 35 mv rms, c tot = 114 mv/mm DynIn = 18 db (Eingangsseitiger Dynamikbereich) - 2 -

3 Wie der Verlauf der grünen Kurve in Abb.2 zeigt, sind die Aussteuerungsverhältnisse oberhalb der Komparatorschwelle jetzt stabil. Das ausgangsseitige Rauschen liegt konstant bei etwa 20 mv pp und stellt zur Zeit die erreichbare Grenze dar. Es ist abzuklären, ob beim TTF2-Betrieb kleinere Spannungen als 0.5V pp von den Pickup-Monitoren zu erwarten sind, um eine endgültige Korrektur der Vorverstärkung vornehmen zu können. 2.2 Ablage- und Ladungssimulation (Abb.4) Nach Einbau eines zusätzlichen Vorverstärker wurde labormäßig eine Simulation der Strahllage-bzw. Ladungsänderung durchgeführt. Mit der Umsetzungskonstante von Monitor + Elektronik c tot = 114 mv/mm (Abb.3) ergibt sich für die Strahllagebestimmung ein verwertbarer Arbeitsbereich von ca. +/- 3 mm (grün schraffierte Balken) bei einer Ladungsabhängigkeit von ca. +/- 2%. 3. Was ist zu tun? 3.1 Kombination (Gauß-LP + Vorverstärker) zum Monitor verlegen Wie oben bereits ausgeführt hat der Einsatz eines zusätzlichen Vorverstärkers vorrangige Bedeutung. Eine weitere Systemverbesserung ist zu erwarten, wenn der Gauß-LP zusammen mit dem Vorverstärker in die Nähe des jeweiligen Monitors verlegt wird. Dadurch kann eine Verschlechterung der System-Rauschzahl (hervorgerufen durch 20 bis 30 m Kabel) weitgehend kompensiert werden. 3.2 Monitor-Nutzsignale und Störungen Die direkten Monitor-Signale sollten mit einem schnellen Scope begutachtet werden um eventuell vorhandene Störsignale erkennen und beseitigen zu können. Die BPM- Elektronik reagiert sehr empfindlich auf Störspektren die den Gauß-LP überwinden (Komparatorbandbreite ca. 4-5 GHz). Gleichzeitig muß ein Vergleich mit den zu erwartenden Signalspannungen erfolgen (Berechnung aus den Monitorkonstanten). Insbesondere das Übertragungsverhalten von Knopf-Pickup + Gauß-LP sollte untersucht und dokumentiert werden. 3.3 Untersuchung des Timing-Jitters Da die BPM-Elektronik den Strahlablage-Meßwert durch einen externen, vom Timingsystem gelieferten Takt abtastet, muß eine Überprüfung des Jitters zwischen direktem Monitorsignal und Timing Clock vorgenommen werden. Der Spielraum bei der Übernahme des Meßwertes in den Track&Hold beträgt nur 2 bis 3 ns

4 3.4 Weiterentwicklung TTF2-BPM-Elektronik Eine Optimierung der gegenwärtigen TTF2-BPM-Elektronik in Richtung zu höheren Auflösungen sollte nach der Realisierung der Punkte 3.1 bis 3.3 kontinuierlich weitergeführt werden. Der modulare Aufbau des Systems läßt dazu ausreichend Spielraum

5 ANHANG - 5 -

6 Strahlagemessungen mit der TTF2-BPM-Elektronik Stripline Elektronik Typ B Stripline Elektronik Typ B Kleine Knöpfe Elektronik Typ A Abb.1

7 U Noise,Out = f(u Gen ), Var.A (037) Abb U Noise,Out (Trackmode) [mv pp ] U Gen Messanordnung (gruene Kurve) LPF +14dB 6dB LPF +14dB Interne LP-Filter entfallen IN 1 IN 2 Messplatz mit zus.verst. DCO=175 (-83mV) G zus = +14 db(invertiert) Grosse Knoepfe(BC1) DCO=70 (83mV) G zus = 0 db Kleine Knoepfe(Undul.) DCO=112 (16mV) G zus = 0 db 1 db Kompr.Pkt ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 U gen [V pp ] U In,Comp [V pp ] = U gen [V pp ] U In,Comp [V pp ] = 0.2*U gen [V pp ]

8 Simulation von 'Ablage' und 'Ladung' BPM-Elektronik Typ A, Nr.046 (ohne Vorverstärker) Abb.3

9 Simulation von 'Ablage' und 'Ladung' BPM-Elektronik Typ A, Nr.037 (mit Vorverstärker) U out = f(u Ch1,U Ch2 ), Var.A (037) 400 Messanordnung 'Ladung' 200 U Gen 6dB LPF +14dB IN 1 U Out (Trackmode) [mv] Messanordnung 'Ablage' U Ch1 LPF +14dB IN 1 Ablage LPF +14dB Interne LP-Filter entfallen Ladung IN U Ch2 LPF +14dB Interne LP-Filter entfallen IN 2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 U Ch1 [V pp ] Messplatz mit zus.verst. DCO=175 (-83mV) G zus = +14 db(invertiert) U Ch2 = 3 - U Ch1 Abb.4 U Out = f(u Ch1 =U Ch2 ), Var.A (037) U Out (Trackmode) [mv] Messplatz mit zus.verst. DCO=175 (-83mV) G zus = +14 db(invertiert) Messanordnung 'Ladung' LPF +14dB IN 1 U Gen 6dB -302 LPF +14dB IN Interne LP-Filter entfallen 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 U Ch1 = U Ch2 [V pp ]

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