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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
24/04/2015CERN-Praktikum 2015
Janik Pfitzner, Niklas Melzer, Pascal Hoffmann Betreuer: Gerhard Schneider, Manfred Wendt
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
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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
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*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
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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
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Schema von Manfred Wendt
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Beam Position Monitor (BPM)
• Vorbeifliegender Strahl erzeugt messbare Spiegelladungen:
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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
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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
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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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Praesentation, CAS intr. Level course on Accelerator Physics, Eva Barbara Holzer
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Im Zusammenhang
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Praesentation, CAS intr. Level course on Accelerator Physics, Eva Barbara Holzer
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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
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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
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(-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
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(-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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