C - LLRF-Kontrollsysteme und Strahldiagnose

LLRF-Kontrollsysteme und Strahldiagnose

Die Umsetzung des ERL-Betriebs stellt anspruchsvolle Anforderungen an das HF-System des Beschleunigers und verlangt neue Konzepte zur Strahldiagnose. Die Struktur des LLRF-Systems muss auf den physikalischen Anforderungen und den verfügbaren Messsignalen aufgebaut sein. Dabei müssen die Genauigkeit von Phase und Amplitude, die Reduzierung von mikrophonischen Effekten und die Handhabung von Belastungen des Strahls inklusive Strahlstromschwankungen und gestörter Gleichgewichte berücksichtigt werden. Hohe Strahlleistung und die 180°-Phasenverschiebung zwischen beschleunigten und abgebremsten Bunchen – welche eine Änderung der Bunch-Abstände zwischen konventionellem und ERL-Modus verursacht und für nicht-isochrones Beschleunigen noch unangenehmer wird, da der Phasenunterschied nicht mehr exakt 180° beträgt – sorgen dafür, dass der Einsatz von herkömmlicher Strahldiagnose wie z.B. HF-Monitoren deutlich komplizierter ist. Das Projektgebiet C von AccelencE befasst sich mit den Herausforderungen, die mit der Entwicklung und Anpassung von LLRF-Kontrollsystemen und Strahldiagnose für den ERL-Betrieb einhergehen.

Teilprojekte

  • Strahldynamik und -diagnose am Energie-rückgewinnenden S-DALINAC

    Beam Diagnostics at the Energy-Recovering S-DALINAC

    Dieses Projekt verbindet Untersuchungen der Strahldynamik des S-DALINAC mit neuer Strahldiagnose, die zur Verifizierung von Simulationen benötigt wird. Die Studien zur Strahldynamik beinhalten Simulationen der Strahlführung, welche zur Bestimmung geeigneter Voreinstellungen des Beschleunigers genutzt werden. Weiterhin wird das Phänomen des transversalen Beam Breakup untersucht, um die Abhängigkeit des maximal möglichen Strahlstroms von Strahlenergie und Operationsmodus nachzuvollziehen. Durch den Einbau von mehreren OTR-basierten Strahlemittanz-Messstationen wird die vorhandene Strahldiagnose erweitert, was unter anderem geeignete Startbedingungen für Strahldynamik-Simulationen sowie eine korrekte Beschreibung der Strahlführung gewährleistet.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Jonas Pforr

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Dr. h.c. Norbert Pietralla, JProf. Dr. Florian Hug

  • Entwicklung einer ERL-Strahldiagnose und Untersuchungen zur Stabilität des ERL-Betriebs am S-DALINAC (Match)

    Development of an ERL beam diagnosis and studies on the stability of ERL operation at the S-DALINAC (match)

    Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines 6 GHz HF-Strahlpositionsmonitors für den mehrfach rezirkulierten ERL-Betrieb. Dieser Monitor soll die gleichzeitige Positionsmessung sowohl des beschleunigten als auch desabgebremsten Strahls ermöglichen. Des weiteren werden durch Simulationen der transversalen und longitudinalen Strahldynamik Studien bezüglich der Stabilität und Toleranzen der Magnetfelder und des HF-Kontrollsystems durchgeführt.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Manuel Dutine

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Dr. h.c. Norbert Pietralla, Prof. Dr. Joachim Enders

  • Weiterentwicklung des digitalen LLRF-Systemsam S-DALINAC für stabilen ERL-Betrieb

    Enhancing the S-DALINAC digital LLRF control system for stable ERL operation

    Das aktuell im Einsatz befindliche digitale LLRF-System des S-DALINAC ist seit 2012 in Betrieb. Durch ein Upgrade des zweifach rezirkulierenden auf ein dreifach rezirkulierenden Beschleuniger in 2016 kann der S-DALINAC als Energy Recovery LINAC (ERL) betrieben werden. Das entwickelte LLRF-System wurde nicht in erster Linie für einen ERL ausgelegt. Das Ziel dieses Projektes beinhaltet zum einen die Untersuchung des Verhaltens der Stabilität des aktuellen LLRF-Systems während des ERL Betriebs sowie Implementierungen möglicher Verbesserungen. Zum anderen steht die Optimierung der Strahlstabilität durch weitere Feedback-Schleifen im Vordergrund. Für die Untersuchung der Elektronenstrahlstabilität werden neben Messungen auch Strahldynamik-Simulationen bezüglich der Auswirkung von HF-Regelfehlern auf den Strahl getätigt.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Manuel Steinhorst

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Dr. h.c. Norbert Pietralla, Prof. Dr. Harald Klingbeil

  • Digitale Open-Loop & Closed-Loop HF-Steuerung für supraleitende Kavitäten in ERLs

    Digital open-loop & closed-loop RF control for superconducting cavities in ERLs

    Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines generischen HF-Kontrollsystems, welches sowohl im „üblichen“ mehrfach rezirkulierenden Betrieb als auch im Energie-Rückgewinnungs-Modus eingesetzt werden kann. Zur Forschung und Entwicklung eines neu konzipierten HF-Systems mit niedriger Leistung ist zu Beginn die Sammlung von Anforderungen, Modellierung und Verständnis des Systemverhaltens und Prozeduren zur Systemidentifikation notwendig, bevor eine geeignete Kontrollsystem-Struktur gewählt werden kann. Darauf aufbauend beginnt das Design des Kontrollsystems, wobei moderne Signalverarbeitungsmethoden und weitere Optimierung mit höherentwickelten Controllern zum Einsatz kommen.

    Bearbeiter/in: Sebastian Orth

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Harald Klingbeil, Prof. Dr. Dr. h.c. Norbert Pietralla

  • Design, Installation und Inbetriebnahme einer neuen Ausleseelektronik für HADES ECAL und Diamant-Detektoren für TO-Rekonstruktion und Strahldiagnose

    Design, Installation and Commissioning of a new read-out electronics for HADES ECAL and diamond detectors for TO-reconstruction and beam diagnostics

    Bearbeiter/in: M.Sc. Adrian Rost

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Tetyana Galatyuk, JProf. Dr. Florian Hug

  • Installation und Inbetriebnahme der verbesserten Einfangssektion des S-DALINAC Injektors

    Installation and comissioning of the improved capture section for the S-DALINAC injector

    Um die Installation der neuen supraleitenden Einfangsstruktur, welche im Rahmen des Projekts von D. Bazyl entwickelt wird, durchzuführen, muss das erste Modul des supraleitenden Injektors des S-DALINAC modifiziert werden. Um das Modul für den Umbau vorzubereiten, müssen der Tuner-Rahmen und andere umliegende Teile an die neue Geometrie der Einfangsstruktur angepasst werden. Des weiteren ist ein Diagnose-Aufbau am Ende der normalleitenden Sektion des Injektors geplant, um die Strahlparameter der thermionischen Quelle detailliert untersuchen zu können. Die Eigenschaften des gebunchten Elektronenstrahls sind für die erfolgreiche Inbetriebnahme der neuen Einfagsstruktur von großer Bedeutung. Dieses Projekt beinhaltet die Vorbereitung, Installation und Inbetriebnahme der weiterentwickelten Injektor-Sektion und von der dazugehörigen Strahldiagnose mit dem Ziel, die Strahlqualität am S-DALINAC zu optimieren.

    Aktuell wird eine Einfangsstruktur mit β = 0,86 bei Research Instruments (RI) im Bau, welche aus Landesmitteln finanziert wird.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Simon Weih

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Prof. Dr. Dr. h.c. Norbert Pietralla

  • Strahlstabilität und Stabilisierungsaspekte am MESA (Match)

    Beam stability and stabilization aspects of MESA (match)

    Bearbeiter/in: M.Sc. Pascal Klag

    Betreuer/in: Prof. Dr. Frank Maas

  • Entwicklung von Elektronik zur Detektorauslese für das P2-Experiments am MESA

    Development of detector read-out electronics for the P2 experiment at MESA

    Am Institut für Kernphysik in Mainz ist in den nächsten Jahren der Aufbau des Beschleunigers MESA geplant. Das an dieser Maschine vorgesehene P2-Experiment soll die Paritätsverletzungs-Asymmetrie der elastischen Elektron-Proton-Streuung mit bisher unerreichter Genauigkeit messen. Dazu müssen viele technische Herausforderungen bewältigt werden. Um Asymmetrien mit einer Größenordnung von 10⁻⁹ messen zu können, muss der Pfad des Eingangssignals gut durchdacht sein. Die Helizität des polarisisierten Elektronenstrahls wird mit einer Frequenz von 2 kHz umgekehrt werden, sodass die Bandbreite des Signalpfades und die Abtastgeschwindigkeit des ADCs entsprechend angepasst werden müssen. Ihm Rahmen dieses Projekts wird zusammen mit Partnern von der University of Manitoba eine gemeinsame Auslese-Elektronik für das P2-Experiment sowie für Møller-Experimente am Jefferson Lab entwickelt.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Rahima Krini

    Betreuer/in: Prof. Dr. Frank Maas

  • Strahlpositionsstabilisierung für das P2-Experiment am MESA (Match)

    Beam position stabilization for the P2 experiment at MESA (match)

    Bearbeiter/in: Dipl.-Phys. Ruth Kempf

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Kurt Aulenbacher, Dr. Marco Dehn

  • Entwicklung eines auf Methoden der künstlichen Intelligenz basierten Kontrollsystems am S-DALINAC

    Development of a control system based on artifical intelligence methods at the S-DALINAC

    Für das EPICS-basierte Kontrollsystem des supraleitenden Elektronenlinearbeschleunigers S-DALINAC werden derzeit KI-basierte Erweiterungen entwickelt. Ein Teilbereich dieser geplanten Erweiterungen ist die Unterstützung der Strahljustierung und Kontrolle mit künstlichen neuronalen Netzten, welche verstärkendes Lernen nutzen. Ein Teilchenbeschleuniger hat eine sehr große Anzahl an Parametern mit oftmals versteckten Verknüpfungen zwischen diesen. Künstliche neuronale Netze sind somit ein geeignetes Mittel, um das Verhalten des Strahls vorherzusagen. Unterschiedliche Netzstrukturen und Trainingsmethoden für das verstärkende Lernen werden derzeit anhand von Simulationen getestet. Eine weitere Aufgabe für die Kontrollsystemerweiterung ist die Entwicklung eines intelligenten Überwachungswerkzeugs, um mögliche Fehlfunktionen des Heliumverflüssigers mit Hilfe von lernenden Algorithmen vorherzusagen und zu verhindern.

    Bearbeiter/in: M.Sc. Jan Hauke Hanten

    Betreuer/innen: Prof. Dr. Dr. h.c. Norbert Pietralla, Prof. Dr. Joachim Enders