Koaxialresonator. Anleitung zum Praktikumsversuch. Mai Einführung. Information

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1 Koaxialresonator Anleitung zum Praktikumsversuch Betreuer: Malte Schwarz, Büro: , Mai 2017 Information ˆ Das Praktikum ndet von 09:30 bis 11:30 Uhr und von 12:30 bis 16:00 Uhr statt. ˆ Die Aufgaben unter Vorbereitung sind vor dem Versuchstermin zu bearbeiten. ˆ Das Protokoll ist spätestens zwei Wochen nach Versuchsdurchführung abzugeben. ˆ Bitte kennzeichnen Sie in Ihrem Protokoll die Protokollantin/den Protokollanten. ˆ Weitere Infos nden Sie auf Einführung Hochfrequenzresonatoren verschiedener Bauart werden am Institut für Angewandte Physik hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten bei der Beschleunigung und Fokussierung geladener Teilchen untersucht. Der Einsatzbereich der Beschleuniger ist vielfältig und reicht von Grundlagenforschung (z. B. am CERN in Genf und der GSI in Darmstadt) über medizinische Anwendungen (z. B. Tumortherapie mit Ionenstrahlen) bis hin zu industriellen Anwendungen (Halbleiterentwicklung, Sterilisation, Materialforschung). Der Koaxialresonator ist ein Resonator besonders einfacher Feldgeometrie, die sich unmittelbar aus der des Koaxialkabels ableitet. Er dient damit zwar nicht zur Teilchenbeschleunigung, dafür aber zum Verständnis der Grundlagen von HF-Resonatoren und HF-Messtechnik. An seinem Beispiel sollen im Versuch typische Konzepte der Beschleunigerphysik auf zwei verschiedene Arten untersucht werden. Zuerst soll mit dem Programm CST MICROWAVE STUDIO eine Simulation durchgeführt werden. Anschlieÿend werden Messungen am Resonator vorgenommen. Beides ist zu vergleichen. Dabei hängt die

2 Güte nicht nur von der Geometrie des Resonators, sondern auch den Eigenschaften, speziell den Leistungsverlusten, im Ein- und Auskoppler ab. Anderseits hängen auch der Signalpegel im Resonator und die zum Sender reektierte Leistung vom Kopplungsfaktor ab. Dieser Zusammenhang soll ebenfalls experimentell untersucht werden. Vorkenntnisse Bitte machen Sie sich vor Durchführung des Versuchs mit den folgenden Themen vertraut. ˆ Hohlraumresonatoren ˆ Resonanzen (laufende und stehende Wellen) ˆ Güte eines Schwingkreises / Resonators ˆ Dezibel ˆ 3-dB-Methode ˆ S-Parameter ˆ Einkopplung von elektromagnetischen Wellen in Resonatoren ˆ Kopplungsfaktor ˆ Induktive / kapazitive Kopplung ˆ Reexionsfaktor ˆ Reektometer ˆ Feldgeometrien des Koaxialresonators und der Pillbox-Kavität Zu empfehlen sind folgende Schriften: ˆ Prof. Dr. H. Podlech: Entwicklung von normal- und supraleitenden CH-Strukturen zur ezienten Beschleunigung von Protonen und Ionen Habilitationsschrift ˆ Pulse auf Leitungen F-Praktikumsanleitung ˆ Externe Güte und HF-Einkopplung - ein 800 MHz Zylinderresonator F-Praktikumsanleitung ˆ RF for Accelerators Proceeding der CERN Accelerator School 2010 ˆ F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik Buch ˆ H. Padamsee: RF superconductivity for accelerators Buch

3 Vorbereitung 1. Geben Sie die unterste elektromagnetische Resonanzfrequenz eines 1, 2 m langen, luftgefüllten Koaxialresonators an, der a) an beiden Enden kurzgeschlossen ist. b) an einem Ende kurzgeschlossen und am anderen oen ist. 2. Wie sehen die elektrischen und magnetischen Felder der ersten vier Moden aus, wenn beide Enden kurzgeschlossen sind? Aufgaben Vor der eigentlichen Messung wird mit dem Programm CST MICROWAVE STUDIO, welches für die Konstruktion von HF-Bauteilen weit verbreitet ist, der Versuchsaufbau simuliert. Simulation in CST 1. Önen Sie die Datei Koax_01_Student, die sich auf dem Desktop bendet, mit CST und erstellen Sie den Innenleiter des Koaxialresonators mit dem Durchmesser 40 mm. Eine Anleitung ndet sich im Anhang: Bedienhinweise zu CST MICRO- WAVE STUDIO Führen Sie mit dem Eigenmode Solver eine Simulation der ersten drei Moden des Koaxialresonators durch. Manuelle Messung 1. Stellen Sie die Frequenz des Frequenzgenerators so ein, dass der Resonator in seiner Grundmode betrieben wird. Die Anzeige der Schleifenposition sollte auf 0 stehen 2. Überlegen Sie sich, wie mithilfe des Voltmeters überprüft werden kann, ob tatsächlich die Grundmode angeregt wird. 3. Bestimmen Sie mit der 3-dB-Methode die belastete Güte Q L des Resonators. 4. Messen Sie die Reexion am Reektometer und Transmission am Pickup des Resonators in Abhängigkeit vom Winkel der Kopplerschleife. Die Reexion soll in Dezibel gegenüber dem Vorlaufsignal angegeben werden. 5. Um Resonatoren unabhängig von den Kopplungsfaktor β und des verwendeten Kopplers zu vergleichen, wird die Güte in die belastete Q L und unbelastete Güte unterteilt. Es besteht der Zusammenhang Q 0 = Q L (1 + β). Q 0 Ist die Güte des Einkopplers Q e gleich der Güte des Resonators, tritt bei der Einkopplung keine Reexion auf. Hier ist β = 1. Messen Sie Q L (β = 1) und berechnen Sie Q 0.

4 Minimieren Sie das Reexionssignal der Grundmode mithilfe der Schleifenposition und der Frequenz. Wieso kann das Reexionssignal nicht auf 0 geregelt werden? Auswertung 1. Stimmen die simulierte und gemessene Resonanzfrequenz der ersten Mode überein? Benennen und erläutern Sie Fehlerquellen, die hinsichtlich der Abweichung eine Rolle spielen. 2. Können Sie mit Ihren Messergebnissen und dem, was Sie über die Einkopplung von elektromagnetischen Feldern wissen zu dem Schluss kommen, dass die Gradanzeige der Schleifendrehung nicht korrekt ist? Begründen Sie und nennen Sie gegebenenfalls einen Wert, um den die Anzeige verschoben ist.

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6 Anhang Fotos zum Praktikumsversuch Abbildung 1: Gesamtübersicht des Versuchsaufbaus (Dezember 2016) Abbildung 2: Links: Stellschraube zur Drehung der Einkoppelschleife um die Längsachse des Resonators. Mitte: Gesamtansicht des Millivoltmeters. Rechts: Messbereiche des Millivoltmeters. Abbildung 3: Links: Gesamtansicht des Re ektometers. tometers. Rechts: Mitte: Betriebsmodi des Re ek- Gesamtansicht des Signalgenerators Abbildung 4: Für die Messungen relevante Stellknöpfe am Signalgenerator

7 Bedienhinweise zu CST MICROWAVE STUDIO 2016 Aufgabe 1 1. Önen Sie das Programm über die Verknüpfung auf dem Desktop. Es erfolgt beim Starten eine Lizenzmeldung, die mit einem Klick auf I Accept bestätigt werden muss. 2. Önen Sie die in der Aufgabe genannte Datei, die sich auf dem Desktop bendet. Direkt im Anschluss soll die Datei in einem selbst angelegten Pfad gespeichert werden, um das Überschreiben der Originaldatei zu verhindern. Hierfür gibt es auf dem Desktop einen Ordner Student, in dem Sie sich ihr eigenes Verzeichnis anlegen können. 3. Überprüfen Sie die eingestellten Einheiten des erstellen Projektes, indem Sie unter dem Reiter Home auf den Button Units klicken. Im Units-Fenster nehmen Sie folgende Einstellungen vor: ˆ Dimensions: mm ˆ Temperature: Kelvin ˆ Frequency: MHz ˆ Time: s Bestätigen Sie die Einstellungen mit OK. 4. Wechseln Sie zur Schnittansicht: Klicken Sie im Reiter View auf die Schaltäche Cutting Plane. Nun sollte das innere des Resonators als Schnittbild sichtbar sein. 5. Erstellen Sie den Innenleiter der Länge 120 cm und des Durchmessers 4 cm. Rotieren Sie dafür die Ansicht und wählen die innere Deckeläche mit der Taste F und einem anschlieÿenden Doppelklick aus. Ist die Oberäche nicht wählbar, muss links im Navigation Tree zuerst die richtige Komponente gewählt werden. Ist die Fläche gewählt, drücken Sie unter Modeling den Button Align WCS. Dies legt ein lokales Koordinatensystem an die Zylinderwand, was die weiteren Schritte vereinfacht.

8 Nun kann der Innenleiter per Klick auf create cylinder und anschlieÿendem Drücken der ESC-Taste erstellt werden. Nun önet sich ein Dialog in dem Sie die Parameter für ihren Innenleiter angeben können. Es empehlt sich vor dem Erstellen auf Preview zu klicken, um sicherzugehen, dass der Innenleiter korrekt angeordnet ist. Aufgabe 2 1. Um die Resonanzfreqenz des Koaxialresonators zu bestimmen, klicken Sie im Reiter Home auf Solver Setup, so dass sich eine Dropdown-Liste önet (Auf den Pfeil klicken). Wählen Sie in der Dropdown-Liste den Eigenmode Solver aus. 2. Klicken sie nun auf den Button Solver Setup. Es önet sich ein Dialog, in dem Sie Einstellungen zur Simulation ändern können. Hier können sie die Anzahl der zu bestimmenden Moden angeben. Achten Sie darauf, dass die Option Calculate external Q-Factor deaktiviert ist. Starten Sie nun die Simulation durch einen Klick auf Start.

9 CST MICROWAVE STUDIO - Shortcuts Ansicht Strg + linke Maustaste Ansicht um Objekt Rotieren Shift + linke Maustaste Ansicht Rotieren 1 bis 9 Verschiedene Standartansichten Shift + c Schnittansicht ein / aus Mausrad Zoomen Interaktion mit dem Model s Punkte, Kanten und Flächen wählen c Mittelpunkt eines Kreises auswählen e Kante auswählen f Fläche wählen