Kurzfassung
Mit der TESLA Test Facility (TTF) befindet sich ein Test-Linearbeschleuniger im Aufbau, mit dem die
technische Realisierbarkeit eines 500 GeV e+e--Linearbeschleunigers demonstriert werden soll. Eine der
wesentlichen Komponenten, die dabei untersucht wird, ist das Hochfrequenzkontrollsystem. Aus Kostengründen
wird ein Klystron 32 supraleitende Beschleunigungsstrukturen mit Hochfrequenzleistung versorgen. Die
Strukturen werden im Pulsbetrieb bei Beschleunigungsgradienten von bis zu 25 MV/m betrieben. Die
Hauptaufgaben für das Hochfrequenzkontrollsystem sind, durch die bei diesen Gradienten bedeutsame
Lorentzkraftverstimmung, mechanische Vibrationen (Mikrophonie) und Leistungsbeschränkung des Klystrons
gegebenen Störungen und Limitationen zu kompensieren. Für die TESLA Test Facility ist ein volldigitales
Hochfrequenzkontrollsystem entwickelt und installiert worden, welches in einer ersten Stufe die Vektorsumme
von acht Hohlraumresonatoren regelt. Das digitale Rückkopplungssystem bietet große Flexibilität in
der Anwendung von Kontrollalgorithmen, genaue Kalibration der Vektorsumme, umfangreiche Diagnostik und die
Möglickeit, automatisierte Prozeduren für den Ausnahmefall zu implementieren. Die wichtigsten
Eigenschaften des Kontrollsystems sind eine Abtastrate von 1 MHz der einzelnen Kavitätensignale, deren
digitale Detektion als Real- und Imaginärteile stattfindet anstatt der Detektion von Amplitude und Phase.
Desweiteren wird das Konzept von adaptivem Feed Forward angewandt, welches zeitlich periodische
Störgrößen unterdrückt und damit die Rückkopplungsschleife entlastet. Während der
Inbetriebnahme des ersten Beschleunigungsmoduls der TESLA Test Facility hat das digitale
Hochfrequenzkontrollsystem seine Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt und die gesteckten Ziele
übertroffen. Das Konzept des adaptiven Feed Forwards hat die verbleibenden rms-Fehler in Amplitude und
Phase um einen Faktor 10 reduziert. Messungen der mechanischen Vibrationen im Beschleunigungsmodul haben
gezeigt, daß die hiervon herrührenden Schwankungen der Resonanzfrequenzen der Kavitäten unter einem
Wert von 10 Hz (rms) liegen. Dies galt unter der Voraussetzung, daß die Heliumdruckfluktuationen
innerhalb von 0,25 mbar konstant gehalten werden können. Der Pulsbetrieb hat zu keinen übermäßig
großen Anregungen von mechanischen Resonanzen der Kavitäten geführt. Untersuchungen zum dynamischen
Verhalten der Lorentzkraftverstimmung haben gezeigt, daß die Beschreibung des zeitlichen Verlaufs der
Verstimmung durch eine Differentialgleichung erster Ordnung eine qualitativ gute Übereinstimmung mit den
gemessenen Daten aufweist. Es bleibt jedoch die Frage, ob diese Beschreibung die Dynamik der
Lorentzkraftverstimmung auch noch bei Beschleunigungsgradienten von über 20 MV/m ihre Gültigkeit
behält.
The TESLA Test Facility (TTF) is designed to demonstrate the feasibility of a 500 GeV e+e--linear collider. One of the major subsystems under study is the low level RF control system. For cost saving reasons one klystron supplies RF power to 32 superconducting cavities which are operated in pulsed mode at gradients of up to 25 MV/m. Significant Lorentz force detuning, microphonic noise, and power limitations are the main issues for the low level RF control. A fully digital control system has been developed and installed in the TESLA Test Facility to control the field vector sum of eight cavities initially. The digital feedback system provides flexibility in the control algorithm, precise calibration of the vector sum, extensive diagnostics, and exception handling. The main features are a sampling rate of 1 MHz for the individual cavity signals, digital detection of real and imaginary parts of the complex field vectors instead of amplitude and phase detection, and the concept of adaptive feed forward to suppress repetitive errors to minimize the control effort. During the commissioning phase of the first accelerating module in the TTF linac the RF control system has proven to be a reliable system exceeding the performance goals. The adaptive feed forward scheme has reduced the residual rms errors of amplitude and phase by a factor of 10. Measurements of the microphonic level in the module have shown that the fluctuations of the resonance frequencies are below 10 Hz (rms) under the condition that the helium pressure is kept constant within 0.25 mbar peak to peak. The pulsed operation has not lead to excessive excitation of mechanical resonances of the cavities. Investigations of the dynamics of Lorentz force detuning have shown that the description of the detuning by a first-order differential equation gives a qualitatively good agreement with the measured data. However, it remains the question if the description is still valid for the dynamics at high gradients above 20 MV/m.