A low-noise front-end for an X-band particle deflector at DESY
Creators: name: Reukauff, Matthias
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2022
Subjects: subject: Particle accelerators
subject: Radio frequency
subject: X-Band
subject: Transverse Deflecting Structure
subject: PolariX
classificationCode: 530
subject: Physik

description: In dieser Arbeit wird ein low-level-RF (LLRF)-System für die neuartige polarisierbare transversal ablenkende Struktur PolariX TDS entwickelt, installiert und an der FLASHForward-Beamline bei DESY in Betrieb genommen. Die PolariX TDS arbeitet im X-Band bei 12 GHz und erfordert ein LLRF-System, das Signale in diesem Frequenzband messen und verarbeiten kann. Mit einem Ansatz zur Wiederverwendung des bereits existierenden S-Band LLRF-Systems, das Signale bei 3 GHz verarbeiten kann, wird neue Hardware entwickelt, die HF-Signale zwischen 12 GHz und 3 GHz umwandelt. Die zugrundeliegenden Komponenten dieser Konvertierungshardware sind HF-Mischer, Filter, Verstärker und Frequenzvervielfacher. Verschiedene Kandidaten für all diese Komponenten werden charakterisiert und hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften verglichen. Da die endgültige Systemleistung stark vom Phasenrauschen abhängt, wird das Hauptaugenmerk der Charakterisierung auf dieses gelegt. Mit den ausgewählten Komponenten werden Leiterplatten entworfen, simuliert, produziert und in hermetisch dichte Gehäuse verpackt, bevor sie in 19"-Module eingebaut werden. Nach der Fertigstellung werden die Module ebenfalls im Labor charakterisiert. Als letzter Schritt wird der Prototyp der PolariX TDS zusammen mit dem entwickelten LLRF-System in der FLASHForward-Beamline installiert. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme werden erste Messungen im laufenden Beschleuniger durchgeführt. Zur Analyse des Kurzzeitverhaltens werden mögliche Verfahren zur Eliminierung der Langzeiteffekte durchgeführt. Die Aktorkette, bestehend aus LLRF-System, Klystron und dessen Vorverstärker, wird vermessen und charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen eine gewisse Diskrepanz zwischen erwarteten und gemessenen Werten und es wird eine Analyse möglicher Quellen des Problems durchgeführt. Mit Hilfe von strahlbasierten Messungen wird eine Beziehung zwischen der HF und dem Strahl hinsichtlich Phasen- und Amplitudenrauschen untersucht. Dies zeigt eine gute Leistung des Gesamtsystems hinsichtlich der kurzzeitigen Phasenstabilität im Allgemeinen. Es werden jedoch kleine Abweichungen vom erwarteten Verhalten gesehen, analysiert und Verfahren zu deren Behebung vorgeschlagen. Analysen des Langzeitverhaltens zeigen einen groÿen Unterschied zwischen den HF- und den strahlbasierten Messungen, dessen Ursachen noch Gegenstand der Forschung sind. Obwohl nicht so wichtig wie das Phasenrauschen, wird auch das Amplitudenrauschen untersucht und ähnlich wie beim Langzeitverhalten zeigt die gemessene HF eine bessere Leistung als die strahlbasierten Messungen.
description: In this thesis, a low-level RF (LLRF) system for the novel polarizable transverse deflecting structure PolariX TDS is developed, installed, and commissioned at the FLASHForward beamline at DESY. The PolariX TDS operates in the X-band at 12 GHz and requires an LLRF system capable of measuring and processing signals in this frequency band. Using an approach to reuse the existing S-band LLRF system that can process signals at 3 GHz, new hardware is being developed that converts RF signals between 12 GHz and 3 GHz. The underlying components of this conversion hardware are RF mixers, filters, amplifiers, and frequency multipliers. Various candidates for all these components are characterized and compared in terms of their electrical characteristics. Since the final system performance depends heavily on the phase noise, the main focus of the characterization will be on this. With the components selected, printed circuit boards are designed, simulated, produced and packaged in hermetically sealed housings before being mounted in 19" modules. After completion, the modules are also characterized in the laboratory. As a final step, the prototype of the PolariX TDS will be installed in the FLASHForward beamline together with the developed LLRF system. After successful commissioning, first measurements will be performed in the running accelerator. To analyze the short-term behaviour, possible procedures to eliminate the long-term effects will be discussed. The actuator chain, consisting of LLRF system, klystron and its preamplifier, is measured and characterized. The results show some discrepancy between expected and measured values and an analysis of possible sources of the problem is performed. Beam-based measurements are used to analyze the relation between the RF and the beam in terms of phase and amplitude noise. These measurements show good performance of the overall system in terms of short term phase stability in general. However, small deviations from the expected behavior are seen, analyzed, and procedures to correct them are proposed. Analyses of the long-term behavior show a large difference between the RF and beam-based measurements, which causes are still subject of research. Although not as important as the phase noise, the amplitude noise is also investigated and similar to the long term behavior, the measured RF shows better performance than the beam based measurements.