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Entwicklung und Realisierung eines 40 GHz Ankunftszeitmonitors für Elektronenpakete für FLASH und den European XFEL

Kuhl, Alexander :
Entwicklung und Realisierung eines 40 GHz Ankunftszeitmonitors für Elektronenpakete für FLASH und den European XFEL.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4673]
TU Darmstadt , Darmstadt
[Dissertation], (2014)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4673

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit dokumentiert die Entwicklung eines Ankunftszeitmonitorsystems mit verbesserter Zeitauflösung fur den Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY). Die Notwendigkeit der Entwicklung dieses Systems ergab sich aus der Anforderung auch bei Experimenten mit Elektronenpaketladungen von nur 20 pC, anstelle der bisher verwendeten 500 bis 3000 pC, eine Zeitauflösung von 10 fs zu erzielen. Das gesamte System muss hierzu eine Bandbreite von etwa 40 GHz aufweisen.

Zur Realisierung wurde zunächst eine Studie neuer potentieller Pickupelektroden mittels Computersimulationen durchgeführt. Unter Berücksichtigung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie der Herstellbarkeit wurde ein konusförmiger Pickup ausgewählt. Grenzen für die Produktionstoleranzen wurden anhand einer ausführlichen Simulationsstudie ermittelt. Die Ergebnisse der Vermessung des elektrischen Verhaltens eines Prototypen zeigten gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen.

Das elektrische Signal des Pickups wird auf einen elektro-optischen Modulator (EOM) geleitet. Die erhöhte Bandbreite erfordert den Austausch der bestehenden EOMs. Es existieren nur wenige EOMs, welche nominell die geforderte Bandbreite aufweisen. Sie wurden im Labor hinsichtlich ihrer Eigenschaften, wie optische Modulationstiefe und optischer Verluste untersucht und das geeignetste Modell ausgewählt.

Schließlich werden Aufbaukonzepte präsentiert. Der erweiterte Ladungsbereich erfordert einen Betrieb mit zwei Modi für niedrige und hohe Ladungen, wobei jeder Modus einen Fein- und einen Grobkanal besitzt. Der Grobkanal dient zur Bestimmung des Arbeitsfensters des Feinkanals. Um die hohe Ankunftszeitgenauigkeit des Gesamtsystems zu garantieren kommt der Wahl der HF-Kabel eine wichtige Bedeutung zu. Diese müssen einerseits die Anforderung an die hohe Bandbreite erfüllen und zudem eine geringe Dämpfung aufweisen.

Ein Prototyp des neuen Ankunftszeitmonitorsystems wurde realisiert und vermessen. Aufgrund von Verfügbarkeitsproblemen musste dabei zunächst auf ein EOM Modell mit geringerer Bandbreite zurückgegriffen werden, um die Funktionalität zu demonstrieren. Gemäß Computersimulationen wird das neue Ankunftszeitmonitorsystem bei Verwendung des geplanten EOM die geforderte Genauigkeit von 10 fs ab einer Elektronenpaketladung von etwa 55 pC erzielen. Die unerwartet hohe Dämpfung der Verkabelung vom Pickup bis zum EOM bei Frequenzen oberhalb von etwa 20 GHz erlaubt es nicht diese Genauigkeit bei 20 pC Ladung zu erreichen. Bei dieser Paketladung kann eine Genauigkeit von etwa 27 fs erwartet werden.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2015
Autor(en): Kuhl, Alexander
Titel: Entwicklung und Realisierung eines 40 GHz Ankunftszeitmonitors für Elektronenpakete für FLASH und den European XFEL
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die vorliegende Arbeit dokumentiert die Entwicklung eines Ankunftszeitmonitorsystems mit verbesserter Zeitauflösung fur den Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY). Die Notwendigkeit der Entwicklung dieses Systems ergab sich aus der Anforderung auch bei Experimenten mit Elektronenpaketladungen von nur 20 pC, anstelle der bisher verwendeten 500 bis 3000 pC, eine Zeitauflösung von 10 fs zu erzielen. Das gesamte System muss hierzu eine Bandbreite von etwa 40 GHz aufweisen.

Zur Realisierung wurde zunächst eine Studie neuer potentieller Pickupelektroden mittels Computersimulationen durchgeführt. Unter Berücksichtigung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie der Herstellbarkeit wurde ein konusförmiger Pickup ausgewählt. Grenzen für die Produktionstoleranzen wurden anhand einer ausführlichen Simulationsstudie ermittelt. Die Ergebnisse der Vermessung des elektrischen Verhaltens eines Prototypen zeigten gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen.

Das elektrische Signal des Pickups wird auf einen elektro-optischen Modulator (EOM) geleitet. Die erhöhte Bandbreite erfordert den Austausch der bestehenden EOMs. Es existieren nur wenige EOMs, welche nominell die geforderte Bandbreite aufweisen. Sie wurden im Labor hinsichtlich ihrer Eigenschaften, wie optische Modulationstiefe und optischer Verluste untersucht und das geeignetste Modell ausgewählt.

Schließlich werden Aufbaukonzepte präsentiert. Der erweiterte Ladungsbereich erfordert einen Betrieb mit zwei Modi für niedrige und hohe Ladungen, wobei jeder Modus einen Fein- und einen Grobkanal besitzt. Der Grobkanal dient zur Bestimmung des Arbeitsfensters des Feinkanals. Um die hohe Ankunftszeitgenauigkeit des Gesamtsystems zu garantieren kommt der Wahl der HF-Kabel eine wichtige Bedeutung zu. Diese müssen einerseits die Anforderung an die hohe Bandbreite erfüllen und zudem eine geringe Dämpfung aufweisen.

Ein Prototyp des neuen Ankunftszeitmonitorsystems wurde realisiert und vermessen. Aufgrund von Verfügbarkeitsproblemen musste dabei zunächst auf ein EOM Modell mit geringerer Bandbreite zurückgegriffen werden, um die Funktionalität zu demonstrieren. Gemäß Computersimulationen wird das neue Ankunftszeitmonitorsystem bei Verwendung des geplanten EOM die geforderte Genauigkeit von 10 fs ab einer Elektronenpaketladung von etwa 55 pC erzielen. Die unerwartet hohe Dämpfung der Verkabelung vom Pickup bis zum EOM bei Frequenzen oberhalb von etwa 20 GHz erlaubt es nicht diese Genauigkeit bei 20 pC Ladung zu erreichen. Bei dieser Paketladung kann eine Genauigkeit von etwa 27 fs erwartet werden.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Studienbereiche
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Theorie Elektromagnetischer Felder
05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
Zentrale Einrichtungen
Exzellenzinitiative
Exzellenzinitiative > Graduiertenschulen > Graduate School of Computational Engineering (CE)
Exzellenzinitiative > Graduiertenschulen
Hinterlegungsdatum: 30 Aug 2015 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4673
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46732
Gutachter / Prüfer: Weiland, Prof. Dr.- Thomas ; Roßbach, Prof. Dr. Jörg
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 7 November 2014
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
This thesis documents the development of an arrival time monitor system for the Free-Electron-Laser in Hamburg (FLASH) at Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) with improved resolution. The necessity for the development of this system arose from the requirements of a time resolution of 10 fs for experiments with electron bunch charges of 20 pC instead of 500 to 3000 pC. This demands a bandwidth of about 40 GHz for the entire system. Initially a study of new pickup electrode candidates was carried out by means of computer simulations. Considering the electrical and mechanical properties as well as manufacturability a cone-shaped pickup was selected. Limits for the production tolerances were determined through a detailed series of simulations. The measurement results of the electrical behavior of a prototype showed good agreement with simulation results. The electrical signal of the pickup is conducted onto electro-optical modulators (EOM). The increased bandwidth requirements demand for a replacement of the existing EOMs. There are only a few EOMs, which nominally offer the required bandwidth. Those were investigated in the laboratory for their properties such as the optical modulation depth and the insertion loss. Based on these results the most suitable type was selected. Finally, cabling concepts are presented. The extended range of bunch charges demands to two operational modes, one for low and one for high charges. Each mode has a fine and a coarse channel, where the coarse channel determines the operating window for the fine channel. The choice of the RF cables is important to guarantee the high accuracy of the entire system. The \mbox{RF cables} requires a high bandwidth and also a low attenuation. A prototype of the new arrival time monitor system was implemented and measured. Due to availability issues, initially an EOM with lower bandwidth was installed in order to demonstrate functionality of the system. According to computer simulations the new arrival time monitor system will achieve the required accuracy of 10 fs above bunch charge of about 55 pC once the preliminary EOM is replaced with the final one. The unexpectedly high attenuation of the RF signal from the pickup to the EOM above 20 GHz, does not allow to achieve this accuracy at 20 pC. At this bunch charge an accuracy of about 27 fs should be expected.Englisch
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