Physik | Technik
Leon Zimmermann, 2006 | Staufen, AG
Um die Stabilität des Elektronenstrahls in einem Synchrotron zu ermitteln, wird häufig die Pulslänge des Synchrotronlichts gemessen. Durch den kurzen Abstand von 2 ns zwischen den Pulsen und der Pulslänge von 20-40 ps am SLS2.0 ist diese Messung sehr herausfordernd.
Mit dieser Arbeit habe ich an einer Idee weitergearbeitet, die eine schnelle Fotodiode, Verstärker und mehrere Bandpassfilter verwendet, um den Puls im Frequenzbereich zu vermessen und so die Pulslänge bestimmt. Dieser Ansatz könnte die kontinuierliche Messung der Pulslänge ermöglichen und ausserdem um Grössenordnungen kostengünstiger sein als eine Streak-Kamera welches die herkömmliche Methode für diese Messung ist.
Mithilfe eines Femtosekundenlasers habe ich die Impulsantworten der Komponenten und deren Kombinationen gemessen. Die Auswertung der Daten zeigt, dass die Fotodiode ein lineares Verhalten bei optischen Leistungen von -30 bis 0 dBm hat. Das SNR der Filter liegt, abhängend von Typ und Verstärker, zwischen 25 und 35 dB bei ausreichenden optischen Leistungen. Das Signal-to-Crosstalk-Ratio reicht von 25 bis 45 dB.
Damit habe ich das Verhalten des Systems charakterisiert und die praktische Durchführbarkeit der Messmethode aufgezeigt.
Fragestellung
Die Hauptaufgabe dieser Arbeit war das Zusammenstellen und Charakterisieren einer Instrumentierung, welche die Pulslänge am SLS2.0 kontinuierlich messen kann und kostengünstiger als eine Streak-Kamera ist.
Diese Aufgabe wurde in folgenden Leitfragen aufgeteilt:
Welche Komponenten sind am besten für dieses System geeignet?
Wie sehen deren Impulsantworten bei verschiedenen Leistungen aus?
In welchem Bereich verhält sich das System linear und wie stark ist das Rauschen und der Crosstalk?
Wie gut eignet sich die Instrumentierung für die Messung der Pulslänge am SLS2.0?
Methodik
Durch Gespräche mit Experten in verschiedenen Abteilungen am PSI und eigener Recherche habe ich mich mit der Fragestellung auseinandergesetzt und wichtige Punkte, die zu beachten sind, identifiziert.
Nach der Auswahl von Komponenten mithilfe von Python Simulationen (scikit-rf und numpy), wurden deren Impulsantworten mit einem Femtosekunden Laser und einem 16 GHz Oszilloskop gemessen.
Für den optischen Aufbau habe ich Singlemode Fasern verwendet und das Alignment nach Anleitungen von Thorlabs durchgeführt. Der elektronische Aufbau bestand aus konfektionierten Komponenten und Kabeln. Dies erleichterte den Aufbau und Anpassungen am System.
Die Auswertung der Messungen wurde auch mit Python durchgeführt, hier wurden die Libraries Numpy, Pandas und Matplotlib verwendet.
Ergebnisse
Bei der Auswertung habe ich die Linearität der Fotodiode und der Verstärker bestimmt, das SNR aller Kombinationen und den Crosstalk der Filter mit dem nächsten Puls berechnet.
Die Fotodiode ist bei optischen Leistungen von -30 bis 0 dBm linear. Die untere Grenze der Verstärker ist identisch, über -10 dBm kommen diese jedoch in den Sättigungsbereich.
Das SNR der Fotodiode und des 14 GHz Verstärker erreicht bis zu 30 dB. Der 65 GHz Verstärker kommt bis zu über 40 dB.
Bei den Filtern folgt das SNR den Kurven der Fotodiode und Verstärker mit kleineren Variationen zwischen den Filtern.
Der Crosstalk ist für die meisten Filter konstant über 30 dB, nur der 3 GHz Filter erreicht knapp 28 dB.
Diskussion
Ich habe festgestellt, dass das SNR stark von der Einstellung des Oszilloskops abhängt, da intern zwischen Verstärkern gewechselt wird. Da das Oszilloskop schlussendlich ersetzt wird, sind die SNR-Werte als untere Grenze nach den Filtern zu verstehen.
Da der jetzige Aufbau nur ein Teil des finalen Instruments ist, ist es schwierig Aussagen über die Auflösung von Single-Shot Messungen zu treffen. Dies wird stark von den restlichen Komponenten, optischem Aufbau an der Beamline und dem vorhandenen Synchrotronlicht abhängen.
Am SLS2.0 haben wir eine Ausgangsspannung nach der Fotodiode von 35-40 mV erreicht, was in Kombination mit dem 65 GHz Verstärker ausreichend sein sollte.
Um die Lichtausbeute auf der Fotodiode zu erhöhen, könnte eine Multimode Faser verwendet werden. Dies würde jedoch weitere Forschung erfordern, da intermodale Dispersion ein Problem sein könnte.
Schlussfolgerungen
Ich habe gezeigt wie sich die Komponente verhalten und welche sich eignen würden. Auch ist das SNR hoch genug, dass Single-Shot Messungen in Betracht gezogen werden können, was ein klarer Vorteil des Systems wäre.
Ausserdem hat das PSI ein Patent auf der Idee und Anwendung angemeldet, was die Bedeutsamkeit dieses Projekts zeigt.
Die nächsten Schritte werden das Validieren mit einer Streak-Kamera sein und die Recherche für Komponente nach den Bandpassfiltern.
Würdigung durch den Experten
Dr. Manuel Zeyen
Herr Zimmermann hat ein System zur Pulslängenmessung einzelner Elektronenpakete in Synchrotron-Teilchenbeschleunigern entwickelt. Er hat das System selbst aufgebaut und umfassend charakterisiert. Die Daten wurden wissenschaftlichen Standards entsprechend analysiert und präsentiert. Das Niveau der Arbeit ist sehr hoch, da die komplexen Themen der HF-Elektronik, Laserphysik und Signalverarbeitung vereint werden. Dieses Messsystem ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des SLS2.0 und ist somit ein wichtiger Beitrag zur Weiterentwicklung von Synchrotronanlagen der nächsten Generation weltweit.
Prädikat:
Gold
Sonderpreis «Stockholm International Youth Science Seminar (SIYSS)» gestiftet von der Metrohm Stiftung
Paul Scherrer Institut, Villigen
Lehrer: Dr. Rasmus Ischebeck