Entwicklung einer digitalen Hochfrequenzregelung für den gepulsten Betrieb des Protonenlinac Teststandes bei FAIR

Abstract

Am Standort des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung bei Darmstadt entsteht die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). Im Rahmen des Forschungsprogramms von FAIR sind Experimente mit Antiprotonenstrahlen geplant. Um den für die Produktion der Antiprotonen notwendigen hochintensiven Protonenstrahl bereitstellen zu können, wird ein neuer Linearbeschleuniger als Injektor für das Synchrotron SIS18 gebaut. Dieser p-Linac genannte Injektor soll so kurz wie möglich gehalten werden. Daher werden zur Hauptbeschleunigung von 3 MeV auf 70 MeV neuartige CH-Kavitäten verwendet. Ein HF-Teststand wird an der GSI aufgebaut, um diese neuartigen Kavitäten und ihre HF"~Versorgung testen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine gepulste 325 MHz HF-Regelung für diesen Teststand entwickelt. Diese basiert auf der HF-Regelung des S-DALINAC, die für den cw-Betrieb von normal- und supraleitenden Kavitäten bei 3 GHz ausgelegt ist. Ziel dieser Arbeit ist es zum einen, die Betriebsfrequenz der HF-Regelung des S-DALINAC auf die 325 MHz des p-Linac anzupassen. Zum anderen muss die Reaktionszeit der Regelung deutlich verbessert werden, um innerhalb des 200 µs langen HF-Pulses das Feld in der Kavität mit einem relativen Amplitudenfehler von maximal 10^-3 und einem Phasenfehler von maximal 0,1° einzuregeln. Besonders kritisch ist auch die Zeit, die die Regelung benötigt, um diese Kriterien wieder zu erfüllen, nachdem der Strahlpuls das Feld der Kavität gestört hat. Zunächst wurde mit analytischen und numerischen Methoden die Abhängigkeit der Regelgeschwindigkeit von verschiedenen Parametern der Regelung und der Kavität untersucht. Dazu wurde ein Modell für das Amplitudenverhalten einer Kavität im Basisband aufgestellt, welches durch Vergleich einer gemessenen mit einer berechneten Sprungantwort bestätigt wurde. Eine analytische Untersuchung zeigte die Abhängigkeit der idealen Regelparameter von der Zeitkonstanten der Kavität für I- und PI-Regler. Mit Hilfe von numerischen Simulationen konnte gezeigt werden, in welchem Maß sich die Totzeit negativ und eine Vorsteuerung positiv auf die Regelgeschwindigkeit auswirkt. Für die Anpassung an die Betriebsfrequenz von 325 MHz wurde ein neues HF-Board entwickelt und erfolgreich getestet. Auch wurde in der Regelung die Fähigkeit implementiert, Integralregler bedingterweise anzuhalten, um Windup-Effekten entgegenzuwirken. Um die Reaktionszeit zu reduzieren, wurden die Aliasing-Filter der Analog-Digital-Wandler überarbeitet, der Amplitudendetektor wurde durch eine Amplitudenbestimmung auf Basis der I/Q-Signale ersetzt und die Regelung wurde um eine gepulste Vorsteuerung erweitert. Durch diese Maßnahmen konnte die Reaktionszeit um drei Viertel gesenkt werden