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BeschleunigerBeschleuniger--BetriebssseminarBetriebssseminar 2008 2008 -- PETRA IIIPETRA III

BPM-System für PETRA III

Beschleuniger-Betriebs-Seminar, Grömitz 2008F. Schmidt-Föhre, DESY Hamburg


18.11.2008 Frank Schmidt-Föhre, MDI, DESY Hamburg 2

BPM-System für PETRA III (1)

1. Strahllagemessung in Synchrotron-Lichtquellen

2. Aufbau und Anforderungen an die Strahllagemessung in Petra 3

a. Kritische Lagemessungsbereiche in Petra 3

b. Ausgangsinformationen des Strahllagemesssystems

3. Eingesetzte BPM Typen

a. Anforderungen allgemein

b. Button BPMs

4. BPM Ausleseelektronik in Petra 3 (Itech Libera Brilliance)

a. Vortests, Auswahl, Testmessungen

b. Abnehmer-Systeme (Gewerke)

c. Aufbau und Anbindung Libera Brilliance




5. Anforderungen an das SW Konzept (Aufteilung, bestehende Systeme, GUI)

a. Server-SW, Anforderungen (nur SA-Daten)

b. Client-SW, Anforderungen

6. Strahllagesystem-Positionsmonitoring (HF-MoMo)

7. Zusammenfassung










b. Button BPMs







Was erwarten die Nutzer von einer Synchrotron-Lichtquelle? … die korrekte Photonen-Energie für ihre Experimente

Ф Ф = Photonenfluss (Messung in Beamlines)… Brillanz B ≈ σx , σy = 1σ Photonen-Strahlbreite (x, y)

(2π)2 σx σ‘x σy σ‘y σx‘ , σy‘ = 1σ Photonen-Strahldivergenz (x, y)

… Stabilität…

Strahllagemessung in Synchrotron-Lichtquellen – Bedarf

=> Worin liegt der Nutzen von BPMs in einer Synchrotron-Lichtquelle?… Messung der Strahllage (first turns, closed orbit)=> Information über Strahlstabilität=> Input für Feedback-Systeme=> Kontrolle von Feedback-Systemen



Das BPM-System (beam-position-monitoring) dient folgenden zwei Hauptzwecken:

Inbetriebnahme und Entwicklung der Maschine:Erforderlich sind Single turn, single pass Fähigkeit um Strahlpositionen des ungespeicherten ersten Umlaufs (first turn) oder jedes einzelnen der weiteren Umläufe(consecutive turns) erfassen zu können. In diesem ‘turn-by-turn’ (TBT) genanntenBetriebsmodus sind die Anforderungen an die Auflösung entspannt (Petra III: 50...100 μm).

Orbit Feedback und Strahllage-Beobachtung:Im Synchrotronlicht-Betrieb muss der Strahlorbit des gespeicherten Strahls in bezug auf einenReferenzorbit konstant gehalten werden. Dies erfordert die maximale Performance aller BPMs in bezug auf Auflösung (Petra III: 1/10 der 1σ- Strahlbreite) und Wiederholgenauigkeiterreichen. Zur Einhaltung dieser Forderungen kann die Bandbreite der BPM-Auslesereduziert werden (Petra III: 0.1 - 300Hz), um gemittelte Positionsmessungen mehrererUmläufe zu erfassen. Ein Slow Orbit Feedback System (Petra III: < 1 Hz) wird vomKontrollsystem zur Verfügung gestellt. Außerdem muss das BPM System Positionsdaten miteiner der Umlauffrequenz entsprechenden Datenrate (turn by turn) für das Fast Orbit Feedback System zur Verfügung stellen (Petra III: ca. 130 kHz). Auch bei dieser Bandbreiteist der Maximalwert der Auflösung des BPM-Systems begrenzt (Petra III: 50 μm).

Strahllagemessung in Synchrotron-Lichtquellen (1) – wozu?

(Quelle: PETRAIII Beam Position Monitor Electronic: Requirements and technical Specifications …, K. Wittenburg et. al.)



Besondere Orbit-Stabilisierungsmaßnahmen in Petra III … … Hallenkonstruktion und Bauweise der neuen Experimentierhalle… Klimatisierung (Experimentierhalle, Klimahütten)… thermischer Gleichlauf, Kompensation, Minimierung von

Strahlstrom- und Bunch-Pattern-Abhängigkeit derStrahllagemessungen (Dämpfungsglieder, RF/ADC-Switchmatrix)

… aufwendige mechanische Konstruktion von Halterungen und Stützen (spez. Material, Girder-Prinzip)

… Orbitmessungen und aktive Feedbacksysteme (Fast Orbit Feedback, Slow Orbit Feedback, Longitudinales MultibunchFeedback, Transversales Multibunch Feedback, Tunemessungen)

… Top-Up Betrieb (Systeme im eingeschwungenen Zustand)

Und er (der BPM) bewegt sich doch! …… HF-MoMo (HF Movement Monitor: Strahllagesystem-

Positionsmonitoring) => s. u.…

Strahllagemessung in Synchrotron-Lichtquellen (2) - Stabilität










b. Button BPMs







Anforderungen der Strahlnutzer (Vorgabe => Spezifikation): Intensitätsänderung durch Fluktuation von Strahllage und Winkel: ≤ 1‰

⇒ Änderung der Emittanz (Δε/ε) : ≤ 20%⇒ Änderung des Strahldurchmessers w(1σ): ≤ 10%

und Änderung der Strahldivergenz θ: ≤ 10%

⇒ Grenzwert (Spezifikation) der BPM Auflösung: ≤ 10% der 1σ Strahlbreite

⇒ Grenzwert der BPM-Auflösung an den Undulatoren: horizontal ≤ 4μm vertikal ≤ 0.5μm

Anforderungskette für die Strahllagemessung in Petra III

Angaben: J. Keil, G. Kube



12.0 ; 16.455racetrackDämpfungswiggler (26+2)33.3 ; 33.31010rundGerade Abschnitte (26+2)5.26 ; 5.260.32elliptischUndulator-Bereich (16+5)16.8 ; 17.50.52oktagonalNeuer Oktant (44)16.9 ; 17.71010elliptischAlte Oktanten (106)

Monitor-konstantenkx und ky: (vert.; hor.)

erforderlichevertikaleAuflösungσ (µm)

erforderlichehorizontaleAuflösungσ (µm)

BPM FormBPM-Position (Anzahl)

Insgesamt 227 BPMs

Anforderungen an die Orbit Auflösung an bestimmten Positionen bei einer Bandbreite B=300 Hz.

Anforderungen der Fast Orbit Korrektur an das BPM-System

=> Orbit Stabilität besser als 1 μm => 0.3 μm Auflösung bei 300 Hz Bandbreite

Quelle: K. Balewski



Positionen der BPMs in Petra III

Quelle: A. Brenger

= BPM-Positionenin Petra III

Insgesamt 227 Synchrotron-Button-BPM(s) imStrahllage-messsystemvon Petra III

Fast Orbit Feedback System nutztBPMs, Frontend-Elektronik und Racksgemeinsammit Slow Orbit Feedback System(Libera)










b. Button BPMs







BPMs in Petra III – Anforderungen

Die BPMs in Petra III …

… passen an den gewünschten Stellen in das Strahlrohr (Bauweise)… nutzen ein bewährtes Prinzip… haben ein bekanntes Design (z. B. bekannt aus

Vorbeschleunigern)… haben geringen Preis in der Serie (>200 Stk.)… erzeugen aus den örtlichen Strahl- und Strahlrohrgeometrie-

Eigenschaften ein durch die Ausleseelektronik auswertbaresSignal ausreichender Qualität

… halten alle Petra III Spezifikationen ein…

=> die Wahl fiel auf Button-BPMs, da sie alle erwünschtenEigenschaften besitzen und durch die ausgewählteAusleseelektronik unterstützt werden!



Button-BPM (elektrostatischer Monitor) - Wirkung des elektrischen Feldeseines Positronen-Bunches imStrahlrohr

Quelle: U. Raich, Animation: R. Jones

-- - - -+

+ + ++- +

+ +- -+ -++-

- +-- +

+- + -

- -- - - -+

+ + ++- +

+ +- -+ -++-

- +-- +

+- + -

- -- - - -+

+ ++- +

+ +- -+ -++-

- +-- +

+-



Button-BPM (elektrostatischer Monitor) - Prinzip der Signalerzeugung

-- - - -+

+ + ++- +

+ +- -+ -++-

- +-- +

+- + -

-- - - - -+ +

++- ++ +- -+ -+ +- -+ -+ -

- -- - - -+

+ ++- +

+ +- -+ -++-

- +-- +

+-+-

V

- - - - - - -

Quelle: U. Raich, Animation: R. Jones



BPMs in Petra III – Typen (2)

Quelle: A. Brenger

BPMs mit hohen Anforderungen an die Auflösung



Nutzung kommerzieller HF Knopf-Durchführungen (bewährt in TTF, HERA und Transportwegen)

Die Durchführungen wurdenindividuell getestet (Vakuumund HF) und nach identischenelektrischen Eigenschaftensortiert. Fertigmontierte BPMs wurden imLabor vorgetestet (Kurzschlüsseund Übertragungseigenschaften) Alle Geometrien berechnet(Monitorkonstanten, Signalantwort, Linearität) Einsatz von 3 Knopftypen: 11, 15 und 4,5 mm Durchmesser

BPMs in Petra III – Typen (1)

Quelle: A. Brenger, R. BoesflugK. Wittenburg










b. Button BPMs







BPM Ausleseelektronik - Vortests

Ausführliche Vortestsmit Libera Electron (Vorläufer-modell von Libera Brilliance) bei ESRF:

Slow Orbit und TbT Auflösungschnelle Datenauslese für dasFast Orbit Feedback.Temperaturabhängigkeit…

o Bunch Pattern- undStromabhängigkeit (trotzdem… für Top-Up Betrieb weniger wichtig)

=> LIBERA Brilliance(verbesserte Specs.)

Resolution with 992 bunches

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-8677

0-86

760

-8675

0-86

740

-8673

0-86

720

-8671

0-86

700

-8669

0-86

680

-8667

0-86

660

-8665

0-86

640

-8663

0-86

620

-8661

0-86

600

-8659

0-86

580

-8657

0-86

560

-8655

0-86

540

More

Position [nm]

Freq

uenc

y

MeasurementFit

Resolution σ = 17.5 nmat 10 Hz bandwidth

Quelle: K. Wittenburg



Amplitude 100 V, LIBERA UInputMax = 80 V(Spezifikation: +4dBm CW)

=> Dämpfungsglieder 10 dB

Eingangssignale LIBERA (simulierte Signale an Switch)

Quelle: G. Kube

Beam Offset 8mm (in x und y)Kabel: RFA 3/8"-50, Länge 20m

!



BPM Ausleseelektronik – Auswahl (1)

Anforderungen an eine geeignete Ausleseelektronik …

verarbeitet Signale aller unterschiedlichen in Petra III vorhandenenButton-BPM-Typen (s. o.)ausreichende Slow Orbit und Turn-by-Turn (TbT) Auflösunggeringer Temperaturgang und Driftstellt alle benötigten Datenpfade und –buffer zur Verfügungstellt alle erforderlichen Schnittstellen zur Verfügungermöglicht schnelle Datenauslese für Fast Orbit FeedbackBunch Pattern- und Stromabhängigkeit für Top-Up Betrieb akzeptabelVerfügbarkeit aller benötigten Betriebsmodiflexibel konfigurier- und programmierbarEinhaltung aller Petra III Spezifikationenbewährtes Produkt, bekannter Hersteller, definierte Abwicklung…



BPM Ausleseelektronik – Auswahl (2)

Key-Features der Libera Brilliance Ausleseelektronik … ausreichende Slow Orbit und Turn-by-Turn (TbT) Auflösung (s. u.)geringer Temperaturgang / Drift (Switchmatrix, Kompensation, Kalibration) typ. 0.2μm/°C (Monitorkonst. k = 10mm)Umsetzung Buttonsignale Ablagewert nach Δ / Σ-Prinzipbenötigte Datenpfade und –buffer verfügbar (Fast Orbit Data, Slow Acquisition, Data-On-Demand, Post-Mortem, …)Schnittstellen (SOFB/Miscellaneous Data Modes: 100BaseT-Ethernet, FOFB: SFP/RocketIO, Trigger/Clocks, Service: RS485)schnelle Datenauslese für Fast Orbit Feedback (130.1kHz, TbT)Bunch Pattern- und Stromabhängigkeitfür Top-Up Betrieb akzeptabelVerfügbarkeit der erforderlichen BetriebsmodiEinhaltung der Petra III Spezifikationenbewährtes Produkt LIBERA Electron als Basisverbesserte Technologie, verbesserte Specs…

… and the winner is …

Libera Brilliance !



Testmessungen DORIS III (1) Neumann-Elektronik: Auslese von 4096 Turns (TbT), 03.11.2008

X mean position: -424.3 μm

Y mean position : -40.1 μm

X mean position: 974.2 μm

Y mean position : -534.8 μm

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-0.65

-0.6

-0.55

-0.5

-0.45

-0.4

-0.35

-0.3

-0.25

X [m

m]

Turn

NR32

Xrms = 39.6μ m

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

X [m

m]

Turn

NR58

Xrms = 34.1μ m

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Y [m

m]

Turn

Yrms = 39.0μ m

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-0.65

-0.6

-0.55

-0.5

-0.45

-0.4

Y [m

m]

Turn

Yrms = 32.0μ m

Xrms: 39.6 μm

Yrms: 39.0 μm

Xrms: 34.1 μm

Yrms: 32.0 μm



Testmessungen DORIS III (2) Libera-Elektronik: Auslese von 10000 Turns (TbT), 03.11.2008

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-1560

-1540

-1520

-1500

-1480X

[ μm

]

Turn

NR 32

Xrms = 6.6μm

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000120

140

160

180

200

Y [ μ

m]

Turn

Yrms = 7.2μm


Y mean position : 152.7 μm(schwarze Linie: Moving Average Filter, 501 Punkte)

Liberas zeigen mitTestpulser stabiles Signal=> Vermutung: Strahlposition istgedriftet

Umlauffrequenz ca. 1 MHz; BW ca. 330kHz



Testmessungen DORIS III (3) Libera-Elektronik: Auslese von 10000 Turns (TbT), 03.11.2008

Drift-Korrektur: Moving Average Filter (501 Punkte)

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-40

-20

0

20

40

X [ μ

m]

Turn

NR 32, Drift Corrected

Xrms = 5.9μm

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000-40

-20

0

20

40

Y [ μ

m]

Turn

Yrms = 6.1μm



Testmessungen DORIS III (4) Libera-Elektronik: Auslese von 100 Punkten (Slow Acquisition,10 Hz, BW ca. 2Hz),03.11.2008


Y mean position : 154.7 μm

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1532

-1530

-1528

-1526

-1524

X [ μ

m]

Data Set

NR 32

Xrms = 1.6μm

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100152

154

156

158

Y [ μ

m]

Data Set

Yrms = 0.8μm

(schwarze Linie: Moving Average Filter, 11 Punkte)



Testmessungen DORIS III (5) Libera-Elektronik: Auslese von 100 Punkten (Slow Acquisition,10 Hz),03.11.2008

Drift-Korrektur: Moving Average Filter (11 Punkte)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2

-1

0

1

2

X [ μ

m]

Data Set

NR 32, Drift Corrected

Xrms = 0.6μm

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2

-1

0

1

Y [ μ

m]

Data Set

Yrms = 0.4μm



Turn-by-Turn Messungen (Strahlstrom ca. 140mA):- Libera-Messungen (10000 Turns) zeigen leichte Drift (wenige μm), - Neumann-Elektronik (4096 Turns): keine Drift sichtbar aufgrund begrenzter Auflösung- Annahme: Drift vom Strahl und nicht von der Elektronik => Drift-Korrektur mit Moving Average Filter- skaliert auf PETRA-Verhältnisse (Monitor-Konstanten) liefert zu erwartende Single-Turn-Auflösung:

Xrms(PETRA) = 5.9μm x 5.4/23.5 = 1.4μmYrms(PETRA) = 6.1μm x 5.2/21.6 = 1.5μm

=> Spezifikation erfüllt!!! (Weitere Messungen sind in Arbeit)(reduzierte BW 300Hz (FOFB) => Auflösung noch besser)

Slow Acquisition Messungen (Strahlstrom ca. 140mA):(Libera, Sample-Rate 10Hz; Position u. Drift korrigiert; skaliert auf PETRA-Verhältnisse (Monitor-Konstanten, Mittelwert):

Xrms(PETRA) = 390nmYrms(PETRA) = 270nm

spezifiziert: Xrms = 2μm, Yrms = 300nm=> Spezifikation erfüllt!!! (Weitere Messungen sind in Arbeit)

Testmessungen DORIS III (6), Zusammenfassung

- DORIS Messung an BPM NR58, 03.11.2008, G. Kube, I. Krouptchenkov- Berechnete Monitorkonstanten:

DORIS: kx = 23.5mm, ky = 21.6mm (BPM NR58)PETRA: kx = 5.4mm, ky = 5.2mm (BPM vor/hinter den Undulatoren)

- Neumann-Elektronik zeigt andere absolute Strahlpositionen an als Libera=> Ursache voraussichtlich empirischer Offset

- Testpulser mit gesplitteten Signalen (Zero-Offset-Emulator) zeigt bei Libera wie erwartet Position 0 –=> kein fehlerhafter Offset!



BPM Ausleseelektronik (1), Funktionsübersicht Libera

(ADC Samplerate: ca. 117MS/s)

(Petra III revolution frequency: 130.1kHz)

(Libera RF input BW: ca. 700MHz)

(FA data rate: 10kHz)

(SA datarate: 10Hz)

(ADC-Rohdaten (switched, filtered, RF), ca. 131kHz)

(ADC Buffer 4 x 1kS)

(Decimated Data Buffer 64 kS)

(TbT Buffer: >100kS)(PM Buffer: 16-256kS)



BPM Ausleseelektronik (2), Funktion Frontend Libera

Beispiel: zyklisch geschalteter Switch-Weg(switching = on)

FrontendEingänge (Button-Signale)

FrontendAusgänge

Switches



BPM Ausleseelektronik (3), Systemübersicht



Die Liberas befinden sich in den alten Hallen in klimatisierten Kabinen (± 1 0C), gemeinsam mit derFeedback-Elektronik; in der Experimentierhalle (± 0.1 0C) befinden sich die Racks im Elektronikgang

BPM Ausleseelektronik (4), Klimatisierung



Alle Libera-Module in den Klimahütten sind jeweilsin zwei nebeneinanderstehenden Racks installiert

BPM Ausleseelektronik (5)(Module, Racks)Libera

Brilliance

Libera Brilliance

Libera Clock-Splitter

Signal-Combiner

Ethernet-Switches (für Liberas)

Glasfaser-Links (FOFB)



BPM Ausleseelektronik (6)(Module, Racks)

(Blick von hinten in ein geöffnetesLibera-Rack)

Libera Brilliance

Patchkabel

Libera Clock-Splitter

Signal-Combiner

Dämpfungsglieder(gruppiert für Temp.gleichlauf)

Ethernet-Switches (für Liberas)

Monitor-Anschlusskabel

Post-Mortem Bufferbox



Positionen der Strahllagemessung in Petra III - Racks

Diagnoseübersicht: A. Brenger

= Position vonBPM(s)

SO:2

S:2

Halle:x

= Anzahlder Racks in derjeweiligenHalle

Strahllage-messsystem von Petra III:insgesamt 227 Synchrotron-BPM(s) mitLibera-Elektronik

SW:2

W:2

NW:2

NO:2

N:2

O:2

EXP:10

Fast Orbit Feedback System nutztBPMs, Frontend-Elektronik und Racksgemeinsammit Slow Orbit Feedback System(Libera)





a. Server-SW, Anforderungen



7. Zusammenfassung



BPM Anforderungen an das SW Konzept – Ablagewert-Korrekturen

(vorabgestimmterVorschlag MDI, MPY, MCS, Stand: 30.10.08)



BPM Anforderungen an das SW Konzept – GUI, Beispiele

Quelle: Michael Abbott, Diamond Light SourceQuelle: Cameron Rodda,

Don McGilvery, Australian Light Source

Diamond Light SourceAustralian Light Source








7. Zusammenfassung



Einsatz des Desy-eigenen HF-MoMo-Drahtmesssytemsentspricht altem HERA-Drahtmesssystem mit verkürztem DrahtPrinzip: das 145 MHz Signal einer λ/4-Drahtantenne wird von 4 Striplines empfangen.Auslese der Striplines wie bei BPMs mit Bandbreite von 1Hz. Öffnungsweite des Kopplers 8x8mm, (lineare Systemantwort im Bereich 2x2 mm)Positionsauflösung besser als 1 μmein Teil der HF-MoMos sitzt auf Glasfaser-Kohlenstoff-Stützen mit Wärme-ausdehnungskoeffizient 0,045*10E-6 [1/K] ≈ 0

Vorab wurden verschiedene Encoder Systeme untersucht. Der Test eines kommerziellenSystems in PETRA II zeigte aufgrund von Strahlungsproblemen zu hohe Fehlerraten.

HF-MoMo (Movement Monitor) - (1)Strahllagesystem-Positionsmonitoring



In der Nähe der Undulatoren wird die Bewegung derGirder-BPMs relativ zur Girder-Montagefläche bzw. die Bewegung der freistehenden BPMs an den Undulatoren relativ zum Hallenboden gemessen. Die HF-MoMo-Systeme haben dabei eine Auflösungvon besser als 1 μm.

HF-MoMo (Movement Monitor) - (2)Strahllagesystem-Positionsmonitoring



Ref X

-0.49922

-0.4992

-0.49918

-0.49916

-0.49914

-0.49912

-0.4991

-0.49908

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166 171 176 181

Minuten

mm

20 nm

Elektronik- & Anzeige- Auflösung

Labormessungen am HF-MoMo-PrototypenDrift

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

1 108 215 322 429 536 643 750 857 964 1071 1178 1285 1392 1499 1606 1713 1820 1927 2034 2141 2248 2355 2462 2569 2676

min

mm

24 h

Bedingungenfür die HF-MoMoPositions-monitore in derExperimentier-halle: - temperatur-stabilisiert auf +/-0.1 0C.

- alle Magneteauf exaktausgerichte-ten Girdern.

Bandbreite: ≈ 1/60 Hz(max: 1Hz) 1 h

2 μm/div

20 nm/div








7. Zusammenfassung



Zusammenfassung

- Anforderungen an BPMs in Synchrotron-Lichtquellen- Anforderungen an das BPM-System in Petra III- spezielle Vorkehrungen und Umsetzung von Strahlstabilisierungsmaßnahmen in Petra III

- BPM-Typen für Petra III- BPM-Ausleseelektronik- Libera-Testmessungen an DORIS- Systemaufbau und Softwareaspekte des BPM-Systems- HF-MoMo



Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

… by the way … life is what happens, while you’re making plans!

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