Vakuum-, Hochfrequenztechnik und Strahlinstrumentierung Im Rahmen des Schülerpraktikums der ISH am CERN 2015 24/04/2015 CERN-Praktikum 2015 Janik Pfitzner,

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Vakuum-, Hochfrequenztechnik und Strahlinstrumentierung

Im Rahmen des Schülerpraktikums der ISH am CERN 2015

24/04/2015CERN-Praktikum 2015

Janik Pfitzner, Niklas Melzer, Pascal Hoffmann Betreuer: Gerhard Schneider, Manfred Wendt

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Agenda



Vakuumtechnik• Definition• Erzeugung• Erhaltung

Strahlinstrumentierung• Wire Scanner• Beam Gas Ionisation• Beam Position Monitor

Hochfrequenztechnik• Modell eines Beam Line Pick-Up:

• Entwurf und Aufbau des Versuchs• Messung• Auswertung

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Was ist ein Vakuum?

• Möglichst leerer Raum-> ideales Vakuum: Teilchenzahldichte gleich Null-> real: Gas mit möglichst geringem Druck



http://de.wikipedia.org/wiki/Vakuum, abgerufen am 23/04/2015

Druckbereich Druck in hPa (mbar) Moleküle pro cm3 mittlere freie Weglänge

Normaldruck 1013,25 2,7 · 1019 68 nm

Grobvakuum 300…1 1019…1016 0,1…100 μm

Feinvakuum 1…10−3 1016…1013 0,1…100 mm

Hochvakuum (HV) 10−3…10−7 1013…109 100 mm…1 km

Ultrahochvakuum (UHV) 10−7…10−12 109…104 1…105 km

extrem hohes Vakuum (XHV) < 10−12 < 104 > 105 km

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Wofür benötigt man Vakuum am CERN?

• Isolierung von Kryomagneten• Isolierung vom Heliumverteilungssystem/rohr• Beam Vakuum– Ultrahochvakuum von 10-13 atm*– Verhinderung von Kollisionen mit Gasmolekuelen



*physikalische Atmosphaere, 1 atm = 1013,25 hPa

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Wie stellt man ein Vakuum her?

• Auswahl der Materialien – Auswahl nach Ausgasraten (Bsp. Schweizer Käse)– Niedrige Diffusion (Bsp. Raclettkäse)

• Abdichten• Absaugen der Luft– Verschiedene Pumpen:

Scrollpumpe, Drehschieberpumpe, Turbomolekularpumpe, Ionengetterpumpe

• Ausheizen (wenn nötig)



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Dichtungen - Flanges

• Verschiedene Formen möglich, solange es gut abdichtet

• Prinzip: – Hartes Material schneidet sich in weichen Abdichtring ein



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Lecks

• Innere und äussere Lecks:– Ausgasen von Verunreinigungen im Inneren– Unebenheiten/Macken oder Verunreinigungen der

Flangeoberflächen• Lecktest:– Festgezogene Flange werden mit Helium umgeben– Feststellen von Heliumanteil im Vakuum/Qualität des

Vakuum in der Röhre



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Strahlinstrumentierung

• Messung von Strahlprofil, -intensität, -lage etc.• Invasive und nicht invasive Messverfahren– Wire Scanner invasiv– Beam Gas Ionisation invasiv– Beam Position Monitor nicht invasiv



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Wire Scanner

• Bewegung durch Strahl• Möglichst schnell, um Aufheizen zu

Verhindern• Sekundäre Teilchen detektierbar

-> Rückschlüsse auf Intensität und Profil



Praesentation, CAS intr. Level course on Accelerator Physics, Eva Barbara Holzer

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Beam Gas Ionisation

• Neon-Gas im Strahlrohr• Ionisation der Gasmoleküle durch Strahl• Ablenken der Ione auf Schirm• Messung von Strahlprofil

durch Abbild



Schema von Manfred Wendt

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Beam Position Monitor (BPM)

• Vorbeifliegender Strahl erzeugt messbare Spiegelladungen:



Presentation by Peter Forck, JUAS Archamps: Pick-Ups for bunched Beams

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Beam Position Monitor (BPM)

- bei β=v/c≈1 keinen longitudinalen Feldlinienanteil-> Messung der Spiegelladungen mittels Button Pick-up



Beam Instrumentation, Editor J.Bosser, Sevices Educatifs-Enseignement Technique

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Button Pick-Up

• Mit Widerständen bzw. mit Buttons kann man die Spiegelladungen abgreifen

-> 4 Buttons im Rohr zur Bestimmung der Strahllage



Rhodri Jones, CAS 2011; Praesentation, CAS intr. Level course on Accelerator Physics, Eva Barbara Holzer

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Funktionsprinzip

• Strahl näher an Buttons ruft mehr Spiegelladungen hervor-> Lagebestimmung über Verhältnis der Signalstärken

• Problem: nicht lineares Verhalten führt zu Ungenauigkeiten




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Im Zusammenhang




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Umsetzung der Theorie in die Praxis



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Spezifikation - Technische Zeichnung



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Machen wir einen Versuch!



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Messung



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Messergebnisse



0mm 5mm 10mm 15mm 20mm

-80

-60

-40

-20

0

20

40

S21

S31

Diff

∆x

dB

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Theorie im Vergleich zur Praxis



(-20mm) (-15mm) (-10mm) (-5mm) 0mm 5mm 10mm 15mm 20mm

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Verschiebung in x-Richtung

norm

iert

e Ab

lage

(-20mm)

(-10mm)

0mm10mm

20mm0

2

4

6

8

10

12

Fehler bezogen auf Theo-riewert

Fehler bezogen auf Theoriewert

xFe

hler

in P

roze

nt

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Das Problem der Nichtlinearität



(-20mm) (-15mm) (-10mm) (-5mm) 0mm 5mm 10mm 15mm 20mm

-1

-0.75

-0.5

-0.25

0

0.25

0.5

0.75

1(Signal1-Signal2)/(Signal1+Signal2)

y=0 y=5 y=10 y=15 y = 20mmx

NormierteAblage

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Auswertung

• Schlussfolgerungen zur Verbesserung der Messung:– Theorie berücksichtigt nicht, dass Draht nicht unendlich

dünn--> geringere Steigung bei Praxisgraph

– Draht nicht gerade– Messungenauigkeiten– Grobe Messwertnahme



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Großes Danke!

Für zwei erfahrungsreiche und einzigartige Wochen gilt unser Dank:

Gerhard Schneider Manfred WendtMichael BetzAna Marnau

Sascha SchmelingClemens KreßPeter Mazanek



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Quellen

• http://de.wikipedia.org/wiki/Vakuum, abgerufen am 23/04/2015• Beam Instrumentation, Editor J.Bosser, Sevices Educatifs-Enseignement

Technique• CERN faq LHC the guide• Rhodri Jones, CAS 2011• Presentation by Peter Forck, JUAS Archamps: Pick-Ups for bunched Beams• Praesentation, CAS intr. Level course on Accelerator Physics, Eva Barbara

Holzer• Manfred Wendt• Gerhardt Schneider• Weiteres sind eigene Fotos oder Grafiken



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