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Masterarbeit: Entwicklung einer Phasen-Regelung zur Optimierung eines auf einer optischen Verzögerungsstrecke basierenden Notch-Filters

Ausschreibendes Institut: ZEA-2 - Systeme der Elektronik
Kennziffer: D069/2014, Elektrotechnik, Informationstechnik

Aufgabengebiet:

Das Zentralinstitut für Elektronik (ZEL) ist ein wissenschaftlich-technisches Institut der Forschungszentrum Jülich GmbH, welches Forschungs- und Entwicklungsprojekte in Kooperation mit den Instituten des Forschungszentrums sowie externen Partnern durchführt. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der Entwicklung elektronischer und informationstechnischer Systemlösungen für komplexe Aufgabenstellungen in der Sensorik und Detektortechnik, der Signal- und Datenverarbeitung, der Messtechnik und der Bildgebung und -verarbeitung für die Bereiche physikalische Großexperimente, Umwelt und Energie, Informationstechnologie sowie Lebenswissenschaften.
Das Forschungszentrum Jülich betreibt zur Durchführung von Grundlagenforschung auf den Gebieten Hadronen-, Teilchen- und Kernphysik das Kühlersynchrotron COSY um unpolarisierte und polarisierte Protonen- bzw. Deuteronenstrahlen mit Strahlimpulsen zwischen 300 MeV/c und 3.7 GeV/c und hoher Phasenraumdichte durch Elektronen- und stochastische Phasenraumkühlung bereitzustellen. Im Zuge der ständigen Verbesserung der Strahlparameter soll die longitudinale stochastische Kühlung von COSY weiter optimiert werden.

Die stochastische Kühlung ist ein Verfahren, mit dem bei einem Teilchenbeschleuniger die Impulsunschärfe und transversale Strahlausdehnung der Teilchen durch eine negative Rückkopplung verringert wird. Dazu werden in den Signal-Aufnehmern (Pickup) durch kleine Antennengruppen die elektromagnetischen Felder der umlaufenden Teilchen in einem Frequenzbereich von 1-3 GHz gemessen. Nach Filterung und Verstärkung werden dann im sogenannten Kicker mit ähnlichen Antennen elektromagnetische Korrekturfelder erzeugt, die sowohl die Impulsunschärfe als auch die transversale Ausdehnung verringern.
Bei der longitudinalen Kühlung wird das Pickup-Signal über ein Notch-Filter geführt, welches die Signalanteile der Soll-Teilchen unterdrückt. d.h. nur Teilchen die sich außerhalb der Sollfrequenz befinden, bekommen einen Korrekturimpuls, dessen Größe durch die Abweichung von der Sollfrequenz bestimmt ist.

Das Notch-Filter basiert auf einer regelbaren optischen Verzögerung mit dem die Notch-Frequenz eingestellt werden kann. Dazu wird das Korrektur-Signal über Modulation eines Laser zunächst optisch konvertiert und dann über einen optischen Splitter auf zwei Signalwege aufgeteilt, einen direkten Weg und einen Weg über die regelbare optische Verzögerung. Danach werden die optischen Signale wieder elektrisch gewandelt und in einem Hybrid voneinander abgezogen. Dies führt zur Unterdrückung der durch die Laufzeit-Differenz bestimmten Frequenz und deren Harmonischen.

Ein parallel zum Nutzsignal übertragener Pilotpuls konstanter Frequenz wird nach Filterung auf einen Phasendetektor geleitet und liefert das Regelsignal zur Steuerung einer variablen optischen Verzögerungsleitung. Im Rahmen der Masterarbeit soll ein Regelalgorithmus entworfen und implementiert werden, der auf der Basis der Phasen-Differenz die optische Verzögerung nachregelt und so die Notch-Frequenz stabilisiert

Zusätzlich zu den Anforderungen von COSY werden die Arbeiten direkt in die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für den zukünftigen "Hochenergie-Speicherring" HESR einfließen, der Teil des geplanten neuen internationalen Beschleunigerzentrums FAIR in Darmstadt ist.

Die Arbeiten werden im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen der RWTH Aachen und den Instituten ZEL und IKP der Forschungszentrum Jülich GmbH in Jülich durchgeführt. Ein Entwicklungssystem bestehend aus Modulen der Serie WaveReady 3000 von JDSU mit den notwendigen Modulatoren, Splittern und optischen Dämpfungsgliedern wird zur Verfügung gestellt.

Anforderungen:

Masterstudent der Elektrotechnik oder Informationstechnik

Hinweis auf Befristung:

6 Monate

Ansprechpartner:
Forschungszentrum Jülich GmbH
Zentralinstitut für Elektronik
Dr. Stefan van Waasen
Tel.: 02461 61 9400
E-Mail: s.van.waasen@fz-juelich.de


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