Cavity Field Control for Linear Particle Accelerators

High-energy linear particle accelerators enable exploration of the microscopic structure of pharmaceuticals, solar cells, fuel cells, high-temperature superconductors, and the universe itself. These accelerators accelerate charged particles using oscillating magnetic fields that are confined in metal cavities. The amplitudes and phases of the electromagnetic fields need to be accurately controlled by fast feedback loops for proper accelerator operation.This thesis is based on the author's work on performance analysis and control design for the field control loops of the linear accelerator at the European Spallation Source (ESS), a neutron microscope that is under construction in Lund, Sweden. The main contribution of the thesis is a comprehensive treatment of the field control problem during flat-top, which gives more insight into the control aspects than previous work. The thesis demonstrates that a key to understand the dynamics of the field control loop is to represent it as a single-input single-output system with complex coefficients. This representation is not new itself but has seen limited use for field control analysis.The thesis starts by developing practical and theoretical tools for analysis and control design for complex-coefficients systems. This is followed by two main parts on cavity field control. The first part introduces parametrizations that enable a better understanding of the cavity dynamics and discusses the most essential aspects of cavity field control. The second part builds on the first one and treats a selection of more advanced topics that all benefit from the complex-coefficient representation: analysis of a polar controller structure, field control design in the presence of parasitic cavity resonances, digital downconversion for low-latency feedback, energy-optimal excitation of accelerating cavities, and an intuitive design method for narrowband disturbance rejection. The results of the investigations in this thesis provide a better understanding of the field control problem and have influenced the design of the field controllers at ESS

Five-Full-Block Structured Singular Values of Real Matrices Equal Their Upper Bounds

We show that the structured singular value of a real matrix with respect to five full complex uncertainty blocks equals its convex upper bound. This is done by formulating the equality conditions as a feasibility SDP and invoking a result on the existence of a low-rank solution. A counterexample is given for the case of six uncertainty blocks. Known results are also revisited using the proposed approach

Complex-coefficient systems in control

Complex-valued dynamics can be used for modeling rotationally invariant two-input two-output systems and bandpass systems when they are considered in the baseband. In a few instances, control design has been done in the complex domain, which facilitated analysis and synthesis. While previous work has been application specific, we will discuss more generally how complex valued dynamics arise, basic properties of these systems, revisit some classic control theoretic results in the complex setting, and discuss two novel examples of control design in the complex domain - accelerator cavity field control and feedback linearization of RF amplifiers

Faktorer och processer som påverkar lantbrukare vid markförvärv

Världens befolkning ökar kontinuerligt vilket medför att mer livsmedel måste produceras samtidigt som den odlingsbara åkermarken i världen minskar. Detta på grund av klimatförändringar och exploatering från städerna som medför att det inte går att odla. I Sverige minskar årligen den odlingsbara åkermarksarealen främst på grund av igenväxning och beskogning. Mindre åkermark medför en ökad konkurrens om det som finns kvar. Att förvärva mark är en långsiktig investering för många som kan innefatta stora beslut påverkat av flera faktorer. Inte minst kräver markförvärv kapital. Detta medför att inte alla väljer att förvärva mark. Men det finns lantbrukare som väljer att förvärva mark och många undrar varför. Beslutsfattande hos lantbrukare har tidigare undersökts men ingen har frågat de svenska lantbrukarna vilka faktorer som medfört att de förvärvar mer åkermark. Arbetets syfte är att genom kvalitativa intervjuer med lantbrukare som förvärvat åkermark få en övergripande förståelse om hur deras beslutsprocess sett ut. Samt förstå vilka faktorer som påverkat varför de valt att förvärva. Semistrukturerade intervjuer gjordes med lantbrukare som förvärvat åkermark de senaste två åren där förvärvet inte berörde generationsskifte. Majoriteten av lantbrukarna var medelålders män med eftergymnasial utbildning inom lantbruk eller ekonomi. Resultatet från intervjuerna visade att lantbrukare förvärvar mark till stor del för att företagsmålen innefattar expansion av olika slag. Några presenterar expansionsmål för att säkra för generationsskifte och andra för att bygga ett lönsamt företag som kan ha anställda. Även den enskilda individens personlighet, känslor och intressen har genomgående påverkan i flera faktorer. En tro om värdeökning på åkermark samt en rädsla för att missa en chans är två faktorer som visats beröra majoriteten i deras markförvärv. När det gäller beslutsprocessen kan slutsats dras att beslutsprocessen påbörjas långt innan mark blir tillgängligt för förvärv vilket medför att processen går fort när åkermark väl finns tillgängligt. Vidare kan den utlösande händelsen konstateras vara när mål berörande expansion grundas. Familjen, kamrater och kollegor är personer som är av vikt för flera i beslutsprocessen för att diskutera beslutet.The world's population is continuously increasing, which means that more food must be produced at the same time as the arable land in the world is decreasing. This is due to climate change and exploit from the cities which means that it’s not possible to grow the land anymore. In Sweden, the cultivable arable land area decreases annually mainly due to overgrowth and afforestation. Less arable land means increased competition for what is left. Acquiring land is a long-term investment for many that can include major decisions influenced by several factors. Not least, land acquisition requires capital. This means that not everyone chooses to acquire land. But there are farmers who choose to acquire land and many wonder why. Farmers' decision-making has previously been investigated, but no one has asked the Swedish farmers what factors led them to acquire more arable land. The purpose of the work is to gain an overall understanding of what their decision-making process looked like through qualitative interviews with farmers who acquired arable land. As well as understanding which factors influenced why they chose to acquire. Semi-structured interviews were conducted with farmers who acquired arable land in the last two years where the acquisition did not involve generational change. Most farmers were middle-aged men with post-secondary education in agriculture or economics. The results from the interviews showed that farmers acquire land largely because the business goals include expansion of various kinds. Some present expansion goals to secure for generational change and others to build a profitable business that can have employees. Even the individual's personality, feelings and interests have a consistent impact on several factors. A belief in the increase in value of arable land as well as a fear of missing a chance are two factors that have been shown to affect the majority in their land acquisition. Regarding the decision-making process, it can be concluded that the decision-making process begins long before land becomes available for acquisition, which means that the process goes quickly once arable land is available. Furthermore, the triggering event can be found to be when goals concerning expansion are founded. The family, peers and colleagues are important to many in the decision-making process to discuss the decision

Control Problems at the European Spallation Source

A background on the Europan Spallation Source is given, and our work on three control problems important for the design of its linear accelerator are presented

ATT FÅ MULTIPEL SKLEROS. Patienters upplevelser av att få sjukdomen och diagnosen

Bakgrund: Multipel skleros är en kronisk sjukdom med ett oförutsägbart förlopp som ofta drabbar relativt unga personer. Det finns idag inget säkert diagnostiskt test och ingen botande behandling. Sjukdomen leder till funktionsnedsättningar som medför stor påverkan på det dagliga livet och depression är vanligt förekommande i patientgruppen. Syfte: Att beskriva patienters upplevelse av att få sjukdomen och diagnosen MS. Metod: Litteraturöversikt enligt Fribergs (2012) modell, baserad på 10 kvalitativa studier som kvalitetsgranskats enligt Willman, Stoltz och Bahtsevanis (2011) granskningsmall. Resultat: Tiden från de första symtomen till dess att diagnosen ställts var fylld av ovisshet. Symtomdebuten innebar ofta sökandet efter en förklaring och fruktan för en hjärntumör var vanligt förekommande. Utredningsperioden upplevdes som påfrestande och patienter kände sig i många fall misstrodda av vårdpersonalen, medan andra upplevde gott socialt stöd från vården. Beskedet om diagnosen var en central händelse med känslomässiga reaktioner som chock, oro och depression. Av en del patienter togs beskedet emot med lättnad medan andra fylldes av skräck. Kontakten med vården i samband med diagnosen beskrevs i många fall som en negativ upplevelse, med bristfällig information och dåligt bemötande. Slutsats: Bemötandet av patienter med okänd diagnos och av de som utreds för eller diagnosticeras med MS är viktigt. Respektfullhet, lyhördhet och empati ska genomsyra sjuksköterskans förhållningssätt och kan ge patienten en positiv vårdupplevelse. Ovisshet kan försämra möjligheten till en smidig transition och information om undersökningar, sjukdomen och dess konsekvenser för det dagliga livet bör ges upprepade gånger och vara tydlig och ärlig. För att göra situationen begriplig och hanterbar för patienten är det viktigt att anpassa information och stöd utifrån dennes behov. För att kunna göra detta krävs det att sjuksköterskan tar del av patientens sjukdomsupplevelse och förkunskap

Cavity Field Control for High-Intensity Linear Proton Accelerators

The European Spallation Source will, once fully operational in 2025, be the world's brightest neutron source. The neutrons will be generated by bombarding a tungsten target with protons accelerated to 96\% the speed of light by electromagnetic fields confined in 155 radio-frequency cavities along the world's most powerful linear accelerator.This thesis has been motivated by the strict control specifications on the amplitudes and phases of the accelerating electromagnetic fields. By considering the field control problem from an automatic control perspective, the thesis aims at improving the understanding of the problem and to explain important aspects of the control design.Throughout the thesis it has been helpful to model the cavity and RF system by complex-coefficient single-input single-output systems. The complex-coefficient representation was particularly useful for discussing: (1) the control design for cavities with parasitic resonance modes; (2) the effect of loop phase variations on feedback stability; (3) the directionality of the disturbances and the objective function.The thesis presents a non-standard parametrization and derivation of the cavity field dynamics that make it easier to relate the physical cavity process to the model, and simplifies the understanding of how the cavity parameters affect the achievable control performance.The control performance of simple PI(D)-controllers and general linear time-invariant controller was compared using the Youla parametrization and convex optimization; it was found that PI(D)-controllers in many cases achieved performance similar to the more general linear time-invariant controller; this indicates that simple PI(D)-controllers in many cases are an excellent choice for cavity field control.Lastly, the energy-optimal strategy to build up the electromagnetic cavity fields is derived, allowing the sustainability of the European Spallation Source to be further improved