Einkoppler-Test-Cavity

Aus Mhfe-wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche

Schlagworte:
Koppler, Einkoppler, Cavity-Koppler, CERN, CERN-Cavity, Coupler, Input Coupler, IPC
konditionieren, ausheizen


Artikel ist noch in Arbeit


Historie

Unser Einkoppler-Test-Cavity ist der Urvater der Speicher-Cavities in LEP (CERN)

Die Einkoppler-Test-Cavity stammt vom CERN; sie wird deshalb im MHFe-Jargon oft als CERN-Cavity bezeichnet. Gemäß mündlicher Überlieferung ist diese Cavity der Urtyp der späteren LEP-Speicher-Cavities. Abweichend zu den LEP-Speicher-Cavities, die bei 352 MHz betrieben wurden, wurde dieser Urtyp für 500 MHz konstruiert. Das hat den Hintergrund, dass am CERN anfangs keine geeignete 352-MHz-HF-Quelle für den Test einer solchen Cavity Verfügung stand. Das CERN verfügte damals jedoch für Test- und Entwicklungszwecke über ein Thomson-Klystron vom Typ F-2055 (280 kW, 500 MHz). Das hatte DESY-MHS dem CERN damals temporär überlassen. Deshalb wurde der Urtyp für 500 MHz anstatt für 352 MHz gebaut.
Im Wesentlichen ist dieser Urtyp der LEP-Speicher-Cavities identisch mit den PETRA 5-Zeller-Cavities. Den Unterschied macht ein zweiter CF-150-Flansch an der Mittelzelle; 90° gedreht bezüglich des Einkoppler-Flansches. Dieser, ursprünglich für die Ankopplung der kugelförmigen Speicher-Cavity gedachte Flansch, wird bei uns zur Montage eines zweiten Einkopplers verwendet. Vor der Verwendung als Einkoppler-Test-Cavity, wurde diese Cavity einige Jahre lang im Speicherring DORIS gemeinsam mit gewöhnlichen PETRA 5-Zeller-Cavities betrieben. Der Speicher-Cavity-Flansch war dazu mit einem speziellen, wassergekühlen Flansch verschlossen.


Lücke im Lebenslauf

Im September 1997 wurde die CERN-Cavity als Einkoppler-Test-Cavity in Geb. 27a installiert. Ob sie vorher schon einmal hier installiert war und wann sie aus DORIS ausgebaut wurde ist noch zu ermitteln. Vermutlich wurde sie 1991 bei Umbau von DORIS-2 nach DORIS-3 oder 1993 beim Ausbau von ARGUS aus DORIS entfernt.


Daten des Einkoppler-Teststands

Koppler-Test-Cavity 2004
Koppler-Teststand am 23.7.2014

Warmwasser-Vakuum-Ausheizung

Warmwasserheizung auf der Abschirmung des Koppler-Teststandes in Halle 2a (Geb. 27a)
  • Heizleistung: 6 kW + 0,37 kW (Heizer + Pumpenmotor)
  • Thermische Zeitkonstante: 2,3 h (Heizsystem mit thermisch isolierter Cavity)
  • Aufheizzeit: 8 h
  • Endtemperatur: 75 °C



Saugvermögen & Leitwerte

Turbo-Pumpstand TMP:

  • TMP: 230 l/s
  • Anschlussgarnitur: 5 l/s

\[ \frac{1}{S_{eff}} = \frac{1}{S_{TMP}} + \frac{1}{S_{Anschluss}} = \frac{1}{230\,l/s} + \frac{1}{5\,l/s} = \frac{1}{4,9\,l/s} \]

Getterpumpen GIP:

  • Getterpumpe Varian M.9190842S002: 150 l/s (vermuteter Wert, Datenblatt fehlt)
  • Aushalsung: 1312 l/s
  • HF-Sieb: 61,4 l/s
  • 4 Getterpumpen inkl. Aushalsungen und HF-Sieben:

\[ \frac{1}{S_{eff}} = \frac{1}{4} \left( \frac{1}{S_{GIP}} + \frac{1}{S_{Aushalsung}} + \frac{1}{S_{HF-Sieb}} \right) = \frac{1}{4} \left( \frac{1}{150\,l/s} + \frac{1}{1312\,l/s} + \frac{1}{61,4\,l/s} \right) = \frac{1}{169\,l/s} \]

HF-Betriebsmodi

\( {\pi \over 2} \)-Betriebsmodus

  • Frequenz: 501,23 MHz (belüftet), 501,39 MHz (evakuiert, 27.9°C)
  • Frq.Verschiebung Vak/Luft: 153,968 kHz
  • Bandbreite: 236,51 kHz
  • Lastgüte: 2120
  • Leerlaufgüte: 30202
  • Koppelfaktor: 7,1
  • Durchgangsdämpfung: -0,61 dB

  • s11(Kplr 1): 19 %
  • s11(Kplr 2): 7,2 %


\( \pi \)-Betriebsmodus

  • Frequenz: 498,374 MHz (evakuiert, 26,7 °C)
  • Bandbreite: 263,49 kHz
  • Lastgüte: 1891
  • Leerlaufgüte: 29147
  • Koppelfaktor: 7,7
  • Durchgangsdämpfung: -0,56 dB

  • s11(Kplr 1): 22 %
  • s11[Kplr 2): 7,3 %


Messbedingungen:

  • keine GIP
  • keine Plunger
  • zwei auf maximale Kopplung eingestellten Koppler ohne J-Ei und mit neuem Doorknob



s11-Messungen über Betriebsrichtkoppler zwischen WGS 1 & WGS 2 vom 23.10.2014.
Es ist unverstanden, wie die Messwerte von Kplr 1 und Kplr 2 derart unterschiedlich sein können.


Modenfrequenzen

Koppler-Test-Cavity, Messaufbau zur Modenmessung
Die Modenfrequenzen in diesem Übersichts-Plot weichen aufgrund ungenügender Auflösung von den genaueren Werten in der Tabelle ab.


Per Transmissionsmessung ermittelte Modenfrequenzen und Güten der unbelasteten Koppler-Test-Cavity.

  • Das Signal wurde in die Messschleife von Zelle 2 eingekoppelt und aus der Messschleife von Zelle 4 ausgekoppelt.
  • An der Cavity waren keine Plunger montiert.
  • Koppler 1 und Koppler 2 waren mit leerlaufenden Hohlleiter-N-Messübergängen versehen.
  • Die Cavity-Temperatur betrug 27,8 °C


Marker Moden-Name Moden-Frequenz Bandbreite Leerlaufgüte Bemerkung
M1 \( \pi \) 498,419 MHz 17,1 kHz 29147 koppelt an Kpl 1 & Kpl 2
M2 \( {3 \over 4} \pi \) 499,724 MHz 15,8 kHz 31628 keine Kopplung an Kpl 1 & Kpl 2
M3 \( {1 \over 2} \pi \) 501,419 MHz 16,6 kHz 30202 koppelt an Kpl 1 & Kpl 2
M4 \( {1 \over 4} \pi \) 503,036 MHz 14,6 kHz 34458 keine Kopplung an Kpl 1 & Kpl 2
M5 \( 0 \) 503,935 MHz 14,6 kHz 34480 koppelt an Kpl 1 & Kpl 2


Messungen am Koppler-Teststand

Kopplung der Koppler-Test-Cavity

Ersatzschaltbild

Ersatzschaltbild Kplr-Tst-Cy.png

Herleitung Koppelfaktor

Die Leerlaufgüte \( Q_0 \) der Koppler-Test-Cavity beträgt

\[ Q_{0} = \frac{R_C}{\omega_0 L_C}, \] wobei \( \omega_0 \) die Resonanzkreisfrequenz der Cavity ist.

Über Koppler 1 wird der Generatorinnenwiderstand \( R_G \) und über Koppler 2 der Lastwiderstand \( R_L \) in die Cavity hineintransformiert. Diese transformierten Impedanzen sind im nachstehenden Ersatzschaltbild als \( R'_G \) und \( R'_L \) bezeichnet. Eventuelle vorhandene Streureaktanzen kann man sich in diesem Bild mit \( C_C \) und \( L_C \) vereinigt denken. Sie würden lediglich eine leichte Verschiebung der Resonanzfrequenz bewirken und spielen bei dieser Betrachtung keine Rolle.

Belasteter resonanzkreis.png

Die in die Cavity hinein transformierten Widerstände \( R'_G \) und \( R'_L \) liegen parallel zum Verlustwiderstand \( R_C \) der Cavity und bestimmen die Lastgüte \( Q_L \) der Cavity (oft auch externe Güte genannt).

\[ Q_{L} = \frac{1/(1/R'_G+1/R_C+1/R'_L)}{\omega_0 L_C}, \]

Setzt man die Ausdrücke für \( Q_0 \) und \( Q_L \) ins Verhältnis, erhält man den Ausdruck:

\[ \frac{Q_0}{Q_L} = 1+ \frac{R_C}{R'_G} + \frac{R_C}{R'_L} . \]

Mit \( \beta_1 = \frac{R_C}{R'_G} \) und \( \beta_2 = \frac{R_C}{R'_L} \) folgt:

\[ \frac{Q_0}{Q_L} = 1+ \beta_1 + \beta_2 . \]

Setzt man in die gefundene Formel den für den \( \frac{\pi}{2} \) -Modus in der Tabelle Modenfrequenzen angegebenen Messwert \( Q_0 =30202 \) und den unter \( {\pi \over 2} \)-Betriebsmodus angegebenen Messwert \( Q_L =2120 \) ein, dann erhält man

\[ \beta_1 + \beta_2 = \frac{Q_0}{Q_L} -1 = \frac{30202}{2120} -1 = 14,2. \]

Sind beide Einkoppler identisch in der Einkoppler-Test-Cavity positioniert und sowohl last- als auch generatorseitig reflexionsfrei abgeschlossen, dann sind auch die Koppelfaktoren identisch jeweils

\[ \beta_1 = \beta_2 = \frac{14,2}{2} = 7,1. \]

Durchgangsdämpfung der Koppler-Test-Cavity


Geht demnächst an dieser Stelle weiter (17.10.2014)


Beispiele früherer Koppler-Tests

Koppler #84-83, 01.08.2006

Erster (noch bei MVA) gestrahlter Koppler

  • 24.07.2006 Einbau in Teststand
  • 27.07.2006 (3 Tage später) Start des Konditionierprogramms
  • 28.07.2006 Zwischenbemerkung im Logbuch: "Koppler konnte in 24h höher konditioniert werden, als fast alle anderen in 100h. Keine Vakuumabschaltungen bisher! Nur die Fenstertemperatur ist aufgrund der FM bei hohen Leistungen (270 kW) so hoch, dass das Interlock kommt. Die Konditionierzeit von ca. 32h ist durch das Konditionier-Programm bestimmt. Konditionierung erst einmal unterbrochen."
  • 01.08.2006 Anlage für Abnahmetest bereit gemacht.
  • Fünf Stunden später: Daten für Protokoll genommen und Sender abgeschaltet. Der Koppler machte den Eindruck, als hätte man ihn ohne Konditionierung direkt auf 250 kW fahren können.


Koppler #79-83, 11.09.2006

  • 11.09.2006 Einbau in Teststand
  • 13.09.2006 (2 Tage später) Start des Konditionierprogramms
  • 15:09.2006 Konditionierprogramm innerhalb 38 h bis 300 kW durchgelaufen. Anlage abgeschaltet.
  • 18.09.2006 Anlage für Abnahmetest bereit gemacht. Cavity-Vakuumdruck 3*10^-9 mbar
  • 28 Minuten später: bei 250 kW kurzer Gasausbruch von Cavity-Vakuumdruck 10^-8 mbar auf > 10^-7 mbar. Erholt sich aber innerhalb einiger Sekunden.
  • Eine Minute später: bei 250 kW Cavity-Vakuumdruck 10^-8 mbar