Die Fortschritte in der Werkstoffwissenschaft erfordern eine exakte Analyse von Materialstrukturen. Eines der effektivsten Verfahren dafür ist, das betreffende Material mit hochenergetischen Teilchen zu beschießen. Sobald die Teilchen auftreffen werden sie gestreut. Die Analyse der Streubilder liefert nützliche Einblicke in die Materialstruktur.

Auf einen Blick

Mit dem Gespann aus dem Signalgenerator MG3710A und dem Vektorsignalanalysator MS2830A lassen sich HF-Systeme untersuchen, bis hin zum beschrieben Szenario eines Beam-Position-Monitors in einem Teilchenbeschleuniger.

Je mehr Energie die Teilchen zum Zeitpunkt des Auftreffens enthalten, umso tiefer können sie in das Material eindringen. Daher stoßen Teilchenbeschleuniger eng gebündelte Strahlen aus. Es gilt nun, die Detektoren und den Strahl exakt zu charakterisieren und zu kalibrieren, sprich aufeinander auszurichten. Dieser Beitrag zeigt, wie man Standard-HF-Messgeräte zum Prüfen der Elektronik nutzt, die ihrerseits die Strahlposition im Teilchenbeschleuniger steuert.

Die Funktion des BPM

Der Strahl aus geladenen Teilchen erzeugt bei der Beschleunigung ein elektromagnetisches Feld, das in einem Detektor eine messbare elektrische Spannung induziert. Dieser Detektor wird zum Analysieren des Strahls genutzt. Normalerweise als Messfühler bekannt, kann der Detektor Mittellage, Form und Dicke des Strahls berechnen. Wenn der Strahl gebündelt ist, ändert sich das von ihm erzeugte elektromagnetische Feld mit der Zeit, was in den Detektoren als HF-Signale dargestellt wird. Diese HF-Signale werden von einem elektronischen Regler – dem BPM – verarbeitet. Anschließend können auf die Spannungsmessung angewendete Algorithmen die Position berechnen.

Das elektronische Steuerungssystem der Messfühler besteht gewöhnlich aus einem Leistungsverstärker, gefolgt von einer HF-Analogstufe und zuweilen auch von einer integrierten Digitalstufe, zur Signal- und Strahllageanalyse. In großen Teilchenbeschleunigern ist dieser elektronische Steuerkreis eine Sonderanfertigung nach Kundenwunsch.

Grundlagen der Teilchenbeschleunigung

Ist der Strahl aus geladenen Teilchen gebündelt, so kann er durch eine Wechselstromstärke angenähert werden:

  • I = I0 · eiwt

wobei gilt:

  • e = Eulersche Zahl
  • i = imaginären Einheit
  • w = Frequenz
  • t = Zeit
Bild 1: Das BPM-Signal einer Sequenz von Teilchenstrahlen im Zeitbereich (links) und im Frequenzbereich (rechts).

Bild 1: Das BPM-Signal einer Sequenz von Teilchenstrahlen im Zeitbereich (links) und im Frequenzbereich (rechts).Anritsu

Da diese Stromstärke im Zeitverlauf schwankt, induziert sie eine Spannung im Messfühler. Diese induzierte Spannung ruft, je nach Übertragungsimpedanz Zt des Detektors, einen Spannungsunterschied hervor, der zum BPM übertragen wird. Die Spannungskennwerte hängen ab von der Strahlform, von der Frequenz des elektromagnetischen Feldes, das die Teilchen beschleunigt, sowie vom Typ des Detektors und dessen Übertragungsimpedanz. Diese periodische Spannung lässt sich per HF-Technik messen und analysieren (Bild 1).

Im Controller befindet sich normalerweise ein Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA) zum Anheben der Signalamplitude. Im Anschluss an die PA-Stufe filtert die Analogstufe das Signal und misst die Signalamplitude. In einem Digitalsystem findet die Signalverarbeitung nach der Analog-Digital-Umwandlung des Signals statt.

Bild 2: Das Signal jedes Messfühlers wird durch die Steuerelektronik des BPM separat verarbeitet.

Bild 2: Das Signal jedes Messfühlers wird durch die Steuerelektronik des BPM separat verarbeitet.Anritsu

Messfühler

Es gibt in der Regel zwei Messfühler pro Messachse und eine Signalverarbeitungsstufe pro Messfühler (Bild 2). Wird beispielsweise eine Messung der Strahllage in einer ebenen Fläche gefordert (X- und Y-Positionen), können vier Messfühler zur Anwendung kommen: zwei für die X-Position und zwei für die Y-Position. Der BPM empfängt damit vier Signale: Durch Messen von Amplitude und Frequenz dieser Signale ist eine Bestimmung der X-und Y-Positionen möglich.

Unterschiedliche Modelle von Messfühlern erzeugen einen unterschiedlichen Signalverlauf zum Strahl, der abhängig von Linearität, Dynamikbereich und weiteren Eigenschaften der Messfühler ist. Schwankungen können auch in Bezug auf Strahlparameter auftreten, beispielsweise Durchmesser, Chromatizität und Energiegehalt. BPM-Systeme sind so konstruiert, dass sie diese Schwankungen berücksichtigen und dabei die Genauigkeit der Strahllagemessungen beibehalten.

Drum prüfe…

Dennoch müssen Ingenieure und Techniker die Leistung eines BPM sorgfältig charakterisieren und verifizieren, damit sie den vom BPM durchgeführten Messungen vertrauen können. Eine neue Technologie zur Verifizierung von BPMs beinhaltet derzeit die Simulation beliebiger von gebündelten Strahlen erzeugter Messfühler-Signale. Diese Simulation kann jeden beliebigen Zustand eines Strahls nachbilden, um somit jede Funktionsstufe des BPM zu testen.

Die zur Durchführung der Simulation genutzten Geräte eignen sich auch zur Erfassung von Signalen, die von realen Messfühlern erzeugt wurden und bilden diese Signale durch die Verwendung eines Signalgenerators nach. Das nachfolgend beschriebene Messsystem besteht aus zwei Hauptbaugruppen: einem Signalgenerator und einem Vektorsignalanalysator. Der Signalgenerator kann die von den Messfühlern erzeugten Signale simulieren. Dies bedeutet die Möglichkeit des Testens der Steuerelektronik eines BPM unter kontrollierten Bedingungen.

Bild 3: Messanordnung zum Simulieren der von einem Zwei-Achsen-BPM ausgegebenen Signale.

Bild 3: Messanordnung zum Simulieren der von einem Zwei-Achsen-BPM ausgegebenen Signale.Anritsu

Messaufbau

In Bild 3 ist ein effektives und wirtschaftliches Testsystem zur Umsetzung dieser Architektur dargestellt. Es verwendet den MG3710A von Anritsu, ein Vektorsignalgenerator, der gleichzeitig zwei HF-Signale mittels zweier separater HF-Anschlüsse erzeugt. Mit nur zwei Geräten vom Typ MG3710A kann man also eine komplette BPM-Elektronik simulieren. Der Prüftechniker kann anschließend die ihm bekannten Eingangssignale mit den Ausgangssignalen vergleichen, um zu messen, in welchem Maße die in der Steuerelektronik umgesetzte Nichtlinearität kompensiert werden muss.

Bild 4: Anordnung eines Testsystems zur Simulation einer Aneinanderreihung von BPM-Messfühlern.

Bild 4: Anordnung eines Testsystems zur Simulation einer Aneinanderreihung von BPM-Messfühlern.Anritsu

Entscheidend ist, dass alle vier HF-Signale, die über die beiden MG3710A erzeugt wurden, synchronisiert sind. Der Amplitudenversatz, Phasenversatz (Zeitdifferenz) und Frequenzversatz zwischen den beiden Vektorsignalgeneratoren kann in kontrollierter Art und Weise und mit hoher Genauigkeit modifiziert werden. Tatsächlich lassen sich sogar mehr als zwei MG3710A synchronisieren. Es ist daher möglich, eine ganze Kette von Messfühlern zu simulieren. Weiterhin ist die Simulation eines LINAC-Segments (eines Segments eines linearen Teilchenbeschleunigers) aus Sicht des BPM möglich (Bild 4). Dies versetzt den Anwender in die Lage, die Funktion der Steuersoftware, welche die von den BPMs kommenden Daten verarbeitet, zu testen.

Bild 5: Der MG3710A eignet sich zum Vergleichen einwandfreier Signale mit Fehlersignalen.

Bild 5: Der MG3710A eignet sich zum Vergleichen einwandfreier Signale mit Fehlersignalen.Anritsu

Vergleichsmöglichkeit

Interessanterweise bietet diese Architektur ein Mittel zum Vergleichen eines idealen Strahlsignals mit einem tatsächlichen (realen) Fehlersignal (Bild 5). Da jeder HF-Ausgang an zwei Basisbänder angeschlossen werden kann, kann der Signalgenerator so konfiguriert werden, dass er ein einwandfreies (aus dem Speicher abgerufenes) Strahlsignal entlang eines Fehlersignals erzeugt, zum Beispiel eine Simulation, die modifiziert wird, um den Effekt von Rauschen und Nichtlinearität im Messfühler oder Unregelmäßigkeiten bei der Strahlenbündelung aufzuzeigen. Anders gesagt kann der Testingenieur die Leistung der Steuerelektronik eines BPM bei Vorhandensein typischer Signalarten messen, die laut Herstellerspezifikation bei Vorhandensein eines perfekten Signals möglicherweise nicht mit seiner Leistung korrelieren.

Bild 6: Von einem Signalanalysator erfasste reale Messfühlersignale können von einem Signalgenerator reproduziert werden.

Bild 6: Von einem Signalanalysator erfasste reale Messfühlersignale können von einem Signalgenerator reproduziert werden.Anritsu

Um tatsächliche (reale) BPM-Signale zu simulieren, kann der Anwender einen Vektorsignalanalysator nutzen, etwa den MS2830A von Anritsu. Damit kann er die Messfühlersignale erfassen, wobei diese Signale durch reale Messfühler erzeugt worden sind, wie sie in betrieblich genutzten Teilchenbeschleunigeranlagen zum Einsatz kommen (Bild 6). Anschließend kann die Einspeisung der erfassten Signale in die Signalgeneratoren erfolgen, wobei die Signale als Abtastsignal zum Messen der Leistung der Steuerelektronik eines BPM dienen.

Fazit

Der Signalgenerator MG3710A und der Vektorsignalanalysator MS2830A haben ausreichend Leistung und Funktionalität, um die Signalverarbeitungsstufen eines BPM zu messen. Sie ermöglichen sowohl eine Simulation von Signalen aus der realen Welt, als auch von einwandfreien Signalen, einschließlich aller Abweichungen von theoretischen Modellen. Ein solches Simulationssystem eignet sich zur Entwicklung und Charakterisierung und für Linearitätsmessungen der BPM-Elektronik, außerdem zum Kalibrieren eines BPM und zur Entwicklung von Software für BPM-Steuerungssysteme.