Entwicklung eines Envelope-Detektors zur Strahllagemessung an einem Positionsmonitor beim Linearbeschleuniger FLASH

Abstract

Im Linearbeschleuniger FLASH (Freie-Elektronen-Laser-Hamburg) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, wird die transversale Lage des Elektronenstrahls von einem Strahllagemonitor, im Englischen Beam Position Monitor (BPM), gemessen. Der Strahllagemonitor enthält sogenannte Pick-up-Elektroden, mit denen sich die transversale Position des Elektronenstrahls im Strahlrohr bestimmen lässt. Aufgrund der physikalischen Eingenschaften des Detektors und der Teilchen beträgt die Signaldauer nur einige 100 ps. Für die Auswertung der transversalen Lage des Elektronenstrahls am Computer ist eine Digitalisierung der Amplituden der Ausgangssignale von den Pick-up-Elektroden nötig. Eine direkte Auswertung dieser Signale mit einem Analog-digital-Wandler (ADC) bei einer Samplerate von typischerweise 100 MHz ist aufgrund der kurzen Signaldauer nur schwierig realisierbar. Mithilfe eines „Envelope-Detektors“ kann die Amplitude aufrecht erhalten werden, um eine erfolgreiche Abtastung des Signals zu ermöglichen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung, Dimensionierung und Simluation des Envelop-Detektors sowie deren Berwetung anhand eines syntetischen Signals des Strahllagemonitors im Labor. Abschließend werden in einem kurzen Ausblick die Möglichkeiten der Optimierung des Envelope-Detektorrs vorgestellt.

In the linear accelerator FLASH (Free Electron Laser Hamburg) at Deutsches Elektronen- Synchrotron (DESY) in Hamburg, the transversal position of the electron beam is measured by a Beam Position Monitor (BPM). The BPM contains pick-up electrodes to determine the transversal position of the electron beam in the beam tube. Due to the physical properties of the detector and the particles the signal duration at the pick-up electrode is only a few 100 ps. In order to evaluate the transversal position of the electron beam on the computer, the amplitudes of the output signals from the pick up electrodes must be digitized. A direct evaluation of these signals with an analog digital converter (ADC) at a sample rate of typically 100 MHz is difficult to implement due to the brief signal duration. As a result, an „envelope detector“ can be used to maintain amplitude to allow successful sampling of the signal. This thesis describes the development, dimensioning and the simulation of the envelope detector as well as their evaluation on the basis of a synthetic signal of a beam position monitor in the laboratory. Finally, the possibilities of optimizing the envelope detector are presented in a short outlook.