Bestimmung von Intensität und Position des extrahierten Elektronenstrahls an ELSA mittels Hochfrequenzresonatoren

Am Physikalischen Institut der Universität Bonn werden Experimente zur Untersuchung der Nukleonenstruktur betrieben. Aus dem Speicherring der Beschleunigeranlage ELSA wird zu diesem Zweck ein Elektronenstrahl von einigen hundert Picoampère extrahiert und auf ein Radiatortarget zur Erzeugung von Bremsstrahlungsphotonen gelenkt. Zur korrekten Interpretation der untersuchten Ereignisse im Experimentaufbau ist die Aufrechterhaltung der eingestellten Strahlposition erforderlich, weswegen ein System zu deren permanenter Kontrolle eingerichtet wurde. Um die Strahlqualität im Messbetrieb nicht zu beeinträchtigen, wurde auf Hohlraumresonatoren zurückgegriffen. Die Überhöhung der Feldstärken bei resonanter Anregung durch die Teilchenpakete des Strahls ermöglicht die Extraktion messbarer Signale bei einer Frequenz von 1,5 Gigahertz und Leistungen unter einem Attowatt. Nach Verstärkung und Umsetzung der Signale auf eine Frequenz von wenigen Kilohertz erfolgt eine schmalbandige Gleichrichtung durch Lock-In-Verstärker. Über einen PC werden die Messspannungen mit einer Rate von 9 Hertz ausgelesen, mit einem C++-Programm in die gesuchten Strahlparameter umgerechnet und dann zur Anzeige im Beschleuniger-Kontrollsystem aufbereitet. Im Regelbetrieb kann so die Strahlposition am Radiatortarget auf Millimeterbruchteile genau erfasst werden. Die Lagesignale müssen auf die Stromstärke normiert werden, deren Messung ebenfalls über einen Resonator erfolgt. Die auf wenige Picoampère genauen Messwerte ermöglichen die unmittelbare Steuerung des Extraktionsmechanismus zur Einstellung des erwünschten Strahlstroms

Charakterisierung eines Referenztestaufbaus für die HPEM-Normenentwicklung

Mutwillige elektromagnetische Störversuche mit Quellen hoher Leistung finden außerhalb des gesetzlichen Schutzrahmens für Emission und Immission statt und stellen Versuche zur normativen Eingrenzung vor Herausforderungen. So ist neben diversen Signalformen auch ein mehrere Größenordnungen umfassender Dynamikbereich zu berücksichtigen, unter üblicherweise limitierten Ressourcen für die Gerätequalifizierung. Beginnend im militärischen Bereich entstanden in der Vergangenheit Normenvorschriften im Bereich der High Power Electromagnetics (HPEM) [1, 4]. Seit einigen Jahren werden ergänzend auch im zivilen Bereich Regelwerke erarbeitet, die die mutwillige elektromagnetische Störung (engl. Intentional Electromagnetic Interference, IEMI) zur Grundlage haben [2, 3]. Bei deren Weiterentwicklung kommen unter anderem Alternativen zu etablierten Testumgebungen wie TEM-Wellenleiter und Modenverwirbelungskammer ins Spiel, was die Frage nach dem Transfer von Ergebnissen zwischen verschiedenen Testumgebungen aufwirft. Zudem könnten aus anderen Normentexten detaillierte Gestaltungsvorschriften für HPEM-Testaufbauten adaptiert werden. Bei der Analyse von Testverfahren ist eine Bilanzierung aller Einflussfaktoren auf das Messergebnis erforderlich. Bei Empfindlichkeitstest ist insbesondere die Beschaffenheit des Prüflings eine maßgebliche Größe, zudem beeinflussen neben Positionierung und Orientierung auch sein Betriebszustand sowie sein Vorbelastung das Verhalten. An dieser Stelle setzt die Idee eines generischen Referenztestaufbaus an. Eine solche Eigenentwicklung soll sich für die Erhebung von Empfindlichkeitsprofilen im Rahmen von HPEM-Tests eignen, also möglichst reproduzierbar bei vielen Frequenzen und jeweils den gleichen Schwellfeldstärken Fehlerbilder zeigen. Dabei sollten Direkt- und Kabelkopplung sowie eine Kombination aus binären und abgestuften Effekten für eine phänomenologisch breit aufgestellte Systemreaktion zum Tragen kommen, mit der umfängliche Vergleiche zwischen Umgebungen und Laboren möglich werden

Large expert-curated database for benchmarking document similarity detection in biomedical literature search

Document recommendation systems for locating relevant literature have mostly relied on methods developed a decade ago. This is largely due to the lack of a large offline gold-standard benchmark of relevant documents that cover a variety of research fields such that newly developed literature search techniques can be compared, improved and translated into practice. To overcome this bottleneck, we have established the RElevant LIterature SearcH consortium consisting of more than 1500 scientists from 84 countries, who have collectively annotated the relevance of over 180 000 PubMed-listed articles with regard to their respective seed (input) article/s. The majority of annotations were contributed by highly experienced, original authors of the seed articles. The collected data cover 76% of all unique PubMed Medical Subject Headings descriptors. No systematic biases were observed across different experience levels, research fields or time spent on annotations. More importantly, annotations of the same document pairs contributed by different scientists were highly concordant. We further show that the three representative baseline methods used to generate recommended articles for evaluation (Okapi Best Matching 25, Term Frequency-Inverse Document Frequency and PubMed Related Articles) had similar overall performances. Additionally, we found that these methods each tend to produce distinct collections of recommended articles, suggesting that a hybrid method may be required to completely capture all relevant articles. The established database server located at https://relishdb.ict.griffith.edu.au is freely available for the downloading of annotation data and the blind testing of new methods. We expect that this benchmark will be useful for stimulating the development of new powerful techniques for title and title/abstract-based search engines for relevant articles in biomedical research.Peer reviewe

IEMI resilience assessment of critical infrastructures

Addressing EMC issues beyond legal exposure limits, the term of intentional electromagnetic interference (IEMI) designates deliberate attempts to disrupt normal operation of electronics, from single devices up to large systems like critical infrastructures sustaining fundamental processes in society. When trying to assess the overall vulnerability of the latter and prioritising resources for protective measures, investigating the technical aspects of system susceptibility will have to be complemented with broader, interdisciplinary methodology for risk management or resilience assessment. Acknowledging approaches already suggested within the field of EMC, we discuss the concept of resilience scoring based on indicators as elaborated within the EU project SmartResilience. Among hundreds of indicators, a dozen evaluation prescriptions are included in the project database pertaining to the IEMI threat. After outlining the general project methodology, an exemplary assessment of a generic power grid substation is discussed in comparison with other approaches. While using accessible indicators enables easily performed assessments and thus scales even to large, distributed systems, more depth is achieved by the focused methods in turn requiring extensive efforts by experts

A detailed study on TEM waveguides' field distribution and efficiency

This work discusses the results of extensive measurements of the electric field strength in the uniform field area of different transverse electromagnetic (TEM) waveguides, namely a gigahertz transverse electromagnetic cell and an open waveguide. Different methods of calculating the forward power required for normative immunity testing are compared. The field homogeneities' uncertainty contribution is analyzed and the effect of the position of the uniform field area in the cross section is discussed for different sizes of the uniform field area. Finally, the secondary field components are analyzed

HPEM-Empfindlichkeit von intelligenten Stromzählern als Komponenten des Smart Grid

Moderne, intelligente Stromnetze (engl. Smart Grid) als zukünftige Ausprägung einer fundamentalen kritischen Infrastruktur sind für ihren Betrieb auf immer komplexere elektronische Regelungstechnik angewiesen. In gleichem Maße ist eine gesteigerte Empfindlichkeit gegenüber IEMI (Intentional Electromagnetic Interference) zu vermuten. Um diesbezüglich eine Risikoabschätzung vornehmen zu können, haben wir in einem ersten Schritt intelligente Stromzähler mit den zugehörigen Gateways, welche für eine Datenübertragung der Messwerte auf einen Server sorgen, in Laboruntersuchungen auf ihre Störbarkeit hin untersucht. Der Einbau in einen Zählerschrank nach DIN VDE 0603-1 gewährleistete einen realitätsnahen und normgerechten Referenzrahmen für die Messungen. Untersucht wurde die leitungsgebundene Einkopplung (Bulk Current Injection, DIN EN 61000-4-6) und die gestrahlte Einkopplung im TEM-Wellenleiter (DIN EN 61000-4-20) von Signalen hoher Leistung (HPEM) im Frequenzbereich 140 MHz bis 8 GHz. Es zeigten sich diverse Störungsbilder von Ausfällen wie das temporäre Verlassen der Messtoleranz über permanente Zählerstandveränderungen bis hin zu Hardwaredefekten. Ein nächster Schritt sind weitere Untersuchungen an systemkritischen Komponenten

HPEM vulnerability of radiation meters used in security relevant scenarios

The correct functioning of detectors for ionizing radiation can be crucial for protecting their respective operators, e.g. first responders tasked with relief efforts in a disaster scenario. Device reliability is essential as well when striving to prevent illicit radionuclide trafficking. In order to assess the vulnerability of radiation detectors against Intentional Electromagnetic Interference (IEMI) by means of High Power Microwaves (HPM), we submitted a selection of portable devices to pulsed rf waves in an open TEM waveguide. Test frequencies ranged from 260 MHz to 3.4 GHz. On all detectors, artificial radiation readings could be induced, sometimes exceeding background values by almost three orders of magnitude

Measuring the intensity and position of a pA electron beam with resonant cavities

In order to continuously monitor the intensity and position of an electron beam of a few hundred pA, a system of resonant cavities has been set up. The current measurement relies on signals of a few fW power extracted out of a cylindrical resonator, excited at its TM_{010} mode. The demodulated cavity pickup signal allows the reconstruction of the beam current with a precision of a few pA. For beam position measurements, we designed two resonators, one each for the horizontal and vertical plane. They are excited at their TM_{110} dipole modes, the signal strength vanishing with the beam passing on their symmetry axis. Commercial digital lock-in amplifiers perform a phase-sensitive detection of the position signals, separating them from background noise. A frequency mixing scheme was applied to transform the signals into the passband of the amplifiers. Great care was taken to prevent cross talk by using special shielding. With these techniques, a relative beam position resolution of 50  μm was achieved. The position readings are sampled with a maximum rate of 9 Hz. A standard PC is used to read out the lock-in amplifiers. It transfers the measured raw data as well as processed values to the accelerator control system for graphical display

Definition and test of the electromagnetic immunity of UAS for first responders

Recent technological developments considerably lowered the barrier for unmanned aerial systems (UAS) to be employed in a variety of usage scenarios, comprising live video transmission from otherwise inaccessible vantage points. As an example, in the French-German ANCHORS project several UAS guided by swarm intelligence provide aerial views and environmental data of a disaster site while deploying an ad-hoc communication network for first responders. Since being able to operate in harsh environmental conditions is a key feature, the immunity of the UAS against radio frequency (RF) exposure has been studied. Conventional Electromagnetic Compatibility (EMC) applied to commercial and industrial electronics is not sufficient since UAS are airborne and can as such move beyond the bounds within which RF exposure is usually limited by regulatory measures. Therefore, the EMC requirements have been complemented by a set of specific RF test frequencies and parameters where strong sources are expected to interfere in the example project test case of an inland port environment. While no essential malfunctions could be observed up to field strengths of 30 V m−1, a sophisticated, more exhaustive approach for testing against potential sources of interference in key scenarios of UAS usage should be derived from our present findings.Recent technological developments considerably lowered the barrier for unmanned aerial systems (UAS) to be employed in a variety of usage scenarios, comprising live video transmission from otherwise inaccessible vantage points. As an example, in the French-German ANCHORS project several UAS guided by swarm intelligence provide aerial views and environmental data of a disaster site while deploying an ad-hoc communication network for first responders. Since being able to operate in harsh environmental conditions is a key feature, the immunity of the UAS against radio frequency (RF) exposure has been studied. Conventional Electromagnetic Compatibility (EMC) applied to commercial and industrial electronics is not sufficient since UAS are airborne and can as such move beyond the bounds within which RF exposure is usually limited by regulatory measures. Therefore, the EMC requirements have been complemented by a set of specific RF test frequencies and parameters where strong sources are expected to interfere in the example project test case of an inland port environment. While no essential malfunctions could be observed up to field strengths of 30 V m−1, a sophisticated, more exhaustive approach for testing against potential sources of interference in key scenarios of UAS usage should be derived from our present findings