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Im Rahmen dieser Arbeit wurde der am Frankfurter Institut für Kernphysik verwendete Aufbau zum Test der Front End Elektronik des ALICE Übergangsstrahlungsdetektors fertig gestellt und in Betrieb genommen. Die dazu benötigte Hard- und Software wurde auf entsprechenden Computersystemen installiert und für einen möglichst benutzerfreundlichen Ablauf der FEE-Tests angepasst, modifiziert und ergänzt.
In dieser Arbeit wurde der Aufbau und die Funktionsweise der ALICE TRD Ausleseelektronik beschrieben. Es wurden die einzelnen Testprozeduren, und darüber hinaus wie diese Prozeduren ein Höchstmaß an Funktionalität der FEE gewährleisten, diskutiert. Es wurde weiterhin diskutiert welche qualitativen und quantitativen Kriterien angewendet wurden um eine maximale Zuverlässigkeit der FEE zu garantieren. Die Grundlagen und die Funktionalität des Pulser-Testes wurden dabei besonders beleuchtet.
Die Hauptaufgabe, die mit dieser Diplomarbeit erfüllt werden sollte, stellt die Entwicklung einer graphischen Benutzeroberfläche dar, die alle test-relevanten Informationen zusammenfasst und aufbereitet. Die ALICE TRD Supermodule II bis V wurden über Skripte von der Kommandozeile aus getestet. Mit dem Supermodul VI wurde der Übergang zu diesem PVSS II - basierten graphischen Benutzerinterface vollzogen, so das es nun möglich ist die FEE der Auslesekammern für die Supermodule VII bis XVIII, also mindestens 720 Testdurchläufe, über diese Schnittstelle zu testen.
Die Weiterentwicklung, Verbesserung und Anpassung des graphischen Benutzerinterfaces an die Bedürfnisse des Testers ergibt sich dementsprechend als eine der sich an diese Arbeit anschließenden Aufgaben. Des Weiteren zählen zu diesen Aufgaben die Erweiterung der Tests um neue Komponenten und die Verbesserung der Datenarchivierung. Neben diesen Änderungen am Testsystem stellt sich die Aufgabe, ein möglichst stabiles und zuverlässiges Testsystem aufrecht zu erhalten, um immer einen gleichbleibenden, hohen Qualitätsstandart in vordefinierten Zeitrahmen liefern zu können.
Mit der hier vorliegenden Arbeit ist das Entladungsverhalten einer Dielektrischen Barriere Entladung anhand der elektrischen Parameter untersucht worden. Dazu wurde ein planparallele Elektrodenkonfiguration entwickelt und aufgebaut, die mit einer Sinus-Spannungs von maximal 5000 Vss und einer Frequenz von 5 kHz-20 kHz angesteuert wurde. Als Arbeitsgas wurde Argon im Druckbereich von 100 mbar - 1000 mbar verwendet. Auf diese Weise konnte ein Plasma erzeugt werden, in das bei einer maximalen Transfereffiienz von 96%, eine mittlere Leistung von bis zu 845 mW eingekoppelt werden konnte.
Da die Dielektrische Barriere Entladung auf Grund der Abschirmung der Elektroden vom Gasraum einige Besonderheiten gegenüber eines klassischen kapazitiv eingekoppelten Plasmas aufweist, können keine Rückschlüsse mittels einer einfachen Strom-Spannungsmessung auf die Vorgänge im Plasma gemacht werden.
Um trotzdem Einblick in die Entladung zu erhalten, wurde das von [Tra08] vorgeschlagene Ladungstransportmodel für die Analyse herangezogen und an den hier vorliegenden experimentellen Aufbau angepasst. So konnte unter anderem der Ein
uss der auf den Dielektrika befindlichen Restladungsträger auf die Ausbildung der Entladung untersucht werden. Des Weiteren ist aus den gewonnen Größen die Elektronendichte des Plasmas bestimmt worden. Diese liegt bei der hier untersuchten dielektrischen Glimmentladung, je nach Gasdruck und Frequenz, im Bereich zwischen 5 X 10exp9 - 2 X 10exp10 1/cm3 . Auch konnten in diesem Zusammenhang qualitative Aussagen über die Entwicklung der Elektronentemperatur gemacht werden.
Zusammen mit Kurzzeitaufnahmen, die den Verlauf der Entladung dokumentieren und den in [Sch11] gemachten Untersuchungen zur Excimerstrahlung konnte so ein umfassendes Bild der Vorgänge im Plasma erstellt und Kriterien erarbeitet werden, die den für eine Dielektrische Barriere Entladung typischen Ubergang zwischen einer Glimmentladung zu einer filamentierten Entladung erklären können.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit haben Arbeiten am Elektronen-Streuexperiment von Prof. J. Jacoby und Dr. R. Berezov an der Goethe-Universität Frankfurt stattgefunden. Am Experiment wurden durch Møller-Streuung verschränkte Elektronen auf ihre Spin-Abhängigkeit untersucht. Die Untersuchung erfolgte als Koinzidenzmessung, dessen Genauigkeit von der zeitlichen Auflösung der Detektoren abhängt. Als Koinzidenzlogik diente ein von Julian Schunk entwickeltes Datenerfassungsprogramm, das auf einem Oszilloskop installiert wurde...
Die vorliegende Arbeit präsentiert den Aufbau und die Diagnostik eines Niederdruck-HF-Plasmas. Durchgeführt wurden die Messungen in einem Gasgemisch aus Ar/He (50%=50%). Sie dienten dazu, nähere Einblicke in die Plasmaparameter eines HF-Plasmas zu erhalten. Einen Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildete dabei die Auswirkung unterschiedlicher Antennengeometrien auf die Entladungseigenschaften. Hierfür wurden die Plasmaparameter Elektronentemperatur Te, Elektronendichte ne und HF-Leistung in Abhängigkeit des Gasdruckes bei einer Vorwärtsleistung des HF-Generators von 1kW untersucht. Um eine sinnvolle Diagnostik zu gewährleisten, war es zunächst erforderlich eine induktive HF-Einspeisung zu konzipieren und eine Impedanzanpassung an dem vorhandenen 13,56MHz Generator vorzunehmen. Die Einspeisung der HF-Leistung geschieht über eine Spule, nach dem Transformatorprinzip. Der Aufbau bietet die Möglichkeit einer modularen Gestaltung der verwendeten Antennengeometrie. Hierdurch ist es möglich, sowohl die Länge, die Windungsbreite als auch die Windungsanzahl schnell zu ändern, um experimentell ein Optimum der Plasmaparameter bezüglich der Plasmaanregung zu erreichen.
Für die Bestimmung der Plasmaparameter wurde vorwiegend eine nicht invasive Diagnostiktechnik, die Emissionsspektroskopie, eingesetzt. Sie bietet den Vorteil, ein Plasma unberührt zu lassen und dessen Eigenschaften nicht zu verfälschen. Zusätzlich wurde mit einer Langmuirsonde die Elektronendichte gemessen. Die eingespeiste HF-Leistung wurde mit einem im HF-Generator befindlichen Reflektometer überwacht und dokumentiert. Durch systematisch durchgeführte Messungen konnte die Elektronentemperatur in Abhängigkeit des Gasdruckes für unterschiedliche Spulengeometrien mit Hilfe der Spektroskopie bestimmt werden. Es ergaben sich typische Elektronentemperaturen einer induktiven Entladung zwischen 1 eV und 5 eV. Die Ursache einer höheren Elektronentemperatur bei niedrigen Gasdrücken, unterhalb von 1 Pa, kann durch die stochastische Heizung sowie resonante Heizmechanismen erklärt werden.
Die mit der Langmuirsonde bestimmte Elektronendichte belief sich auf 4 x 10 exp 15 m exp -3 bei niedrigen Gasdrücken und einem Maximum von 4 x 10 exp 17 m exp -3 bei einem Gasdruck von 3 Pa. Elektronendichten dieser Größenordnung sind typisch für induktive Entladungsplasmen, die ein Maximum von 1019 m exp -3 [Lie05] erreichen können.
Die eingespeiste HF-Leistung zeigte dabei eine starke Abhängigkeit von der Antennengeometrie. Durch die Optimierung der Spulenkonfiguration ergab sich eine maximale eingespeisten HF-Leistung von 0,8kW.
Ein Vergleich von HF-Leistung und Elektronendichte bestätigte die theoretische Modellvorstellung, die einen linearen Zusammenhang zwischen diesen beiden Größen postuliert. Somit konnten wichtige Eigenschaften bezüglich einer HF-Entladung sowie Einflüsse der Antennengeometrie auf die Entladungseigenschaften untersucht und umfangreich diskutiert werden.
Optische Untersuchungen des Entladungsverhaltens einer dielektrischen Barriere Entladung in Argon
(2011)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine "Dielektrische Barriere Entladung" (DBE) mit planparalleler Elektrodengeometrie aufgebaut und mittels optischer Diagnostik untersucht und analysiert. Die mit der Dielektrischen Barriere Entladung erzeugte Strahlung soll für die Wassersterilisation durch UV-Entkeimung genutzt werden.
Als Arbeitsgas wurde Argon verwendet. Argon Excimere emittieren VUV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 126nm. Die Ansteuerung der DBE erfolgte mit einer Sinusspannung. Die Amplitude der Sinusspannung wurde von 1600V/SS-5000V/SS bei einer Frequenz von 5kHz-20kHz und einem Druck von 100mbar-1000mbar variiert.
Bei der Entwicklung einer Lampe zur Wassersterilisation ist die Kenntnis der Effizienz notwendig. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, welchen Einfluss Druck, Spannung und Frequenz auf die VUV-Konversionseffizienz (Verhältnis der eingekoppelten Leistung zur Lichtleistung bei 126nm) haben. Bei einem Druck von 600mbar und einer Effektivspannung von ca. 1050V konnte bei 6kHz eine
maximale VUV-Konversionseffizienz von ca. 6% erzielt werden. Die Lichtleistung bei einer Wellenl¨ange von 126nm betrug dabei 11, 5mW.
Die Bildung von Excimeren setzt das Vorhandensein von Argonatomen im metastabilen Zustand voraus. Zum einen entstehen diese metastabilen Anregungszustände durch direkte Anregung bei Stoßprozessen, zum anderen können sie durch Abregung eines höheren Anregungszustandes unter Aussendung von Strahlung entstehen. Die Wellenlängen, der bei einem solchen Übergang emittierten Strahlung (Erzeugerlinien) befinden sich im sichtbaren Bereich. Zur Analyse des sichtbaren Spektrums wurde ein Spektrometer verwendet. Es konnte ein direkter Zusammenhang zwischen den Erzeugerlinien und der Entstehung von Excimerstrahlung nachgewiesen werden. Eine Messung dieser Erzeugerlinien kann daher als erster Indikator für die Erzeugung von VUV-Excimerstrahlung dienen. Bei dielektrischen Barriere Entladungen muss zwischen drei Entladungsformen unterschieden werden. Man unterscheidet homogene, filamentierte und quasihomogene Entladungen. Zur genaueren Untersuchung der Dynamik der DBE und der Entstehung dieser unterschiedlichen Entladungsformen wurden Aufnahmen mittels Kurzzeitkamera angefertigt und in Bezug auf die Parameter Druck, Spannung und Frequenz untersucht. In Zusammenarbeit mit [Hoc11] wurden Entladungsphasendiagramme erstellt, welche unter Kenntnis von Druck, Spannung und Frequenz eine Zuordnung der Entladungsform bei den jeweiligen Parametern ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass die maximale VUV-Konversionseffizienz im Bereich homogener Entladungen erreicht wird und das homogene Entladungen bei Variation der Parameter nur einen kleinen Bereich im Vergleich zu den anderen Entladungsformen einnehmen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kabelpulsgenerator entwickelt und untersucht, der zur Erzeugung dielektrischer Barriereentladungen, genutzt wird. Diese Barriereentladung soll zur Wassersterilisation angewendet werden. Als schnelles Schaltelement des Kabelpulsers wurde ein Lorentz-Drift-Schalter (LDS), der ebenfalls in der Arbeitsgruppe Plasmaphyik entwickelt wird, verwendet. Dieser wurde grundlegend auf dessen elektrische Eigenschaften in Bezug auf den Einsatz in einem Pulsgenerator untersucht. Zudem sollen diese Messungen zur Weiterentwicklung des LDS von Nutzen sein und werden in diesem Kapitel zusammengefasst und interpretiert.
Zur Bestimmung des Arbeitsgasdrucks wurde der Verlauf der Durchbruchspannung verschiedener Gase in Abhängigkeit des Drucks aufgenommen. Durch diese Messungen konnte die maximale Haltespannung zum jeweiligen Druck, sowie der optimale Arbeitsdruckbereich des Schalters, der möglichst nahe des Selbstdurchbruchs liegt, ermittelt werden. Es wurde ein Verlauf entsprechend der Abhängigkeit der Paschenkurve bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass sich die Druckbereiche der Gase Argon, Stickstoff und Luft stark von dem des Wasserstoffs unterscheiden.
Um möglichst steile Pulsflanken des Kabelpulsgenerators zu gewährleisten, wurden Messungen der Spannungabfallraten am LDS durchgeführt. Da das Plasma im Schalter als ohmsche Last angesehen werden kann, korreliert der Spannungsabfall mit dem Stromanstieg. Hierbei konnte generell ein Anstieg der Spannungsabfallzeit mit zunehmender Ladespannung festgestellt werden. Teilweise konnte ein sprunghaftes Verhalten nachgewiesen werden, was wie folgt zu interpretieren ist: Der LDS ist ein schneller Gasentladungsschalter für hohe Ströme und hohe Spannungen. Um eine laufende Entladung durch die Lorentzkraft im Elektrodenzwischenraum zu erreichen, wird eine gewisse Stromdichte benötigt, die das ”saubere” Durchzünden des Schalters gewährleistet, das Plasma an den Elektroden nach oben laufen lässt und später die Selbstlöschung einleitet. Die in der Kapazität des Koaxialkabels gespeicherte Energie reichte bei kleinen Ladespannungen nur zu einer kurzen Uberbrückung der Elektroden. Zudem konnte eine Steigerung der Spannungsabfallzeit mit zunehmendem Druck festgestellt werden, was dafur spricht den Schalter bei einem Druckbereich möglichst nahe des Selbstdurchbruchs zu betreiben, um ein optimales Entladeverhalten zu gewährleisten. Weitere wichtige Parameter eines Gasentladungsschalters sind die Delay- und Jitterwerte. Neben dem Delay wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals Jittermessungen am LDS durchgefuürt. Diese wurden mit den oben genannten Gasen mit unterschiedlichen Triggerpulsen gemessen. Im Wesentlichen wurde ein kürzerer und ein längerer Triggerpuls mit Pulslängen von 1 µs und 31 µs verwendet.
Weiterhin fand erstmals der Betrieb des LDS mit Wasserstoff als Arbeitsgas statt. Neben diversen Vorteilen im Entladeverhalten, erlaubt ein Betrieb des Schalters mit Wasserstoff die Verwendung von reversiblen Gasspeichern auf Titan- oder Zirkoniumbasis. Durch beheizen dieser Speicher, geben sie Gas ab und nehmen es beim Abkühlen wieder auf. Dadurch sind abgeschlossene Schaltsysteme, sogenannte ”Sealed-Off”-Systeme, fur weitere Prototypen realisierbar [Pet07].
Es wurde festgestellt, dass der Delay stark von der Triggermethode bzw. der Pulslänge des Triggers abhängt. Auch hier wird ein schneller Spannungsanstieg benötigt. Je schneller die Startelektronen durch das Triggerelement bereitgestellt werden, desto schneller zundet das Plasma im Elektrodenzwischenraum. Für einzelne Schaltvorgänge spielt der Delay eine untergeordnete Rolle, betrachtet man jedoch Repetitionsraten gewinnt jeder einzelne zeitliche Ablauf eines Schaltprozesses an Bedeutung. Bei den oben erwähnten ersten Jittermessungen konnten bei allen Gasen sehr niedrige Jitterwerte von deutlich unter 100 ns erreicht werden. Auch hier wurde eine starke Triggerpuls- und Arbeitsgasabhängigkeit festgestellt. Auffällig wurde dies bei Untersuchungen mit Luft. Hier konnte der Jitter mit dem steilen Anstieg des kurzen Triggerpulses halbiert werden. Bei Messungen mit Wasserstoff wurde ein Jitter von 13 ns erreicht. Wiederum ergab sich eine Verbesserung des Jitters mit zunehmender Ladespannung.
Des Weiteren wurde die Pulsform und deren Impedanzabh¨angigkeit am Spannungsausgang des Kabelpulsers untersucht. Unterschiedliche Impedanzwiderstände wurden angefertigt und in den Pulseraufbau integriert. Es zeigte sich eine eher geringe Änderung der Pulsform bei unterschiedlichen Impedanzwiderständen. Untersuchungen zeigten, dass die Spannungsamplitude mit dem Widerstandswert variiert, da er wie ein Spannungsteiler wirkt. Die radialsymmetrischen Impedanzwiderstände erzeugen eine weniger stufig abfallende Flanke. Die besten Resultate, was die Pulsform betrifft, wurde jedoch durch eine niederinduktivere Erdung erzielt. Es wurde ein Kabelpulsgenerator mit einem relativ ebenen Pulsplateau entwickelt, dessen Parameter, wie z.B. die Pulsbreite und die Spannungsamplitude, weitgehend unabhängig voneinander variierbar sind.
In dieser Diplomarbeit wurden zwei vom Funktionsprinzip und Aufbau her vollständig unterschiedliche Plasmabeschleuniger aufgebaut und bezüglich ihrer Eigenschaften untersucht. Der erste Aufbau ist ein Lorentzdriftbeschleuniger (LDB) mit kapazitiv erzeugten Plasmen, bei dem das Funktionsprinzip auf der Wirkung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger im Magnetfeld beruht. Der zweite Teil des Experiments stellt einen induktiven Beschleuniger (IB) dar, dessen Erzeugung und Beschleunigung von Plasmen auf Grund von Induktionskräften geschieht.
Die optischen und elektrischen Messungen von beiden Beschleunigern wurden in einem speziell konstruierten Experimentieraufbau durchgeführt. Beim Lorentzdriftbeschleuniger wurde der Einfluss der Elektrodenlänge auf den Bewegungsablauf der Plasmaentladung untersucht. Später, bei der Durchführung der Messungen mit dem induktiven Beschleuniger wurde der LDB als Schalter eingesetzt. Dabei stellte sich heraus, dass die Erosion der Elektroden aus Messing, die die Lebensdauer des Lorentzdriftbeschleunigers begrenzt, von der Stromstärke abhängt.
Als Ergebnis stellte sich heraus, dass der LDB einen einfacheren Aufbau als der IB hatte, die Ausstoßgeschwindigkeit des Plasmas war im Vergleich zum IB höher und betrug im Durchschnitt etwa 50-60 [km/s] gegenüber ≈ 21,5±6,5 [km/s] beim IB. Dagegen wurde beim IB eine größere Plasmamasse von 27 [μg] erzeugt gegenüber 2,8 [μg] beim LDB. Somit erreichte der IB eine höhere Schubkraft von ≈ 66 [N] bei einem Impuls von 0,58±0,17 [mNs] pro Puls mit Pulslängen um 0,88 ×10 -5 [s] . Im Gegensatz dazu lag die Schubkraft des LDB`s bei etwa 27-32 [N] mit einem Impuls von 0,135-0,162 [mNs] pro Puls mit Pulslängen von 5-5,75 ×10 -6 [s].
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden die bei den Kalttests der supraleitenden 360 MHz CH-Prototypkavität gewonnenen Messergebnisse sowie das Prinzip der Hochfrequenzmessung an supraleitenden Resonatoren vorgestellt. Zudem wurde bei dem Aufbau eines eigens für diese Messungen optimierten horizontalen Kryostaten mitgearbeitet. Die wesentlichen Elemente des Kryostaten wurden dargestellt und das Kaltfahren des gesamten Kryosystems erläutert. Das am IAP erarbeitete Tuningkonzept, bei dem ein langsamer, kettenbetriebener Tuner für den Ausgleich statischer Frequenzänderungen und zusätzlich drei Piezotuner zur Kompensation schneller Frequenzschwankungen eingesetzt werden, konnte aufgrund der zu groÿen Schwankungen der Resonanzfrequenz, die durch die stetige Befüllung des Kryostaten mit Helium hervorgerufen wurde, nur bedingt getestet werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass der Piezotuner die Frequenz der Kavität für kurze Zeit konstant hält und der langsame, mechanische Tuner einen Frequenzhub von 400 kHz erreichen kann. Für weitere Kalttests der CH-Struktur im horizontalen Kryostaten werden zur Zeit sowohl das Regelsystem für die schnellen Piezotuner als auch die Motorsteuerung des mechanischen Tuners optimiert.
In einem weiteren Arbeitsschritt wurden mit Hilfe der Simulationssoftware ANSYS Rechnungen zur Geometrieoptimierung des neuen dynamischen Balguners für zukünftige supraleitende CH-Strukturen durchgeführt. Das Hauptaugenmerk der Optimierung lag hierbei auf der Reduktion der auftretenden Materialspannungen bei einem vorgesehenen Hub von ca. ± mm, der durch eine äuÿere Belastung hervorgerufen wird. Dabei wurden verschiedene geometrische Gröÿen variiert und die optimalen Parameter gefunden. Zudem wurde eine Modalanalyse durchgeführt, um zu verhindern, dass die mechanischen Eigenfrequenzen des Balgtuners in den Betriebsbereich des Piezotuners, der letztlich für den Antrieb der dynamischen Balgtuner vorgesehen ist, fallen. Die nach sämtlichen Simulationsschritten berechnete und final vorgesehene Tunergeometrie und deren Parameter, die bezüglich des auftretenden von-Mises-Stresses optimiert wurden, sind in Abbildung bzw. Tabelle 9.1 dargestellt.
Desweiteren wurden mit Hilfe des Simulationsprogramms CST MicroWave Studio Untersuchungen zu Multipacting durchgeführt. Aufgrund der problematischen Spannungswerte im oberen Gap des Tuners müssen in weiteren Arbeitsschritten zusätzliche Simulationsrechnungen durchgeführt werden, um die Gefahr von Multipacting zu verhindern. Um die strukturmechanischen Simulationsergebnisse und deren Genauigkeit zu validieren, wurde zu Testzwecken ein Balgtunerprototyp bestehend aus eineinhalb Zellen von der Firma RI in Bergisch Gladbach gefertigt. Messungen der maximalen Auslenkung zeigten zwischen simulierten und gemessenen Werten eine Diskrepanz von einem Faktor von ungefähr 3.
Für weitere Testzwecke soll ein weiterer Balgtunerprototyp bestehend aus 6 Zellen nach den simulierten Parametern angefertigt und später sowohl bei Raumtemperatur als auch unter kryogenen Bedingungen auf dessen Auslenkung getestet werden.