Medição de estabilidade de pulso de alta tensão de moduladores klystron

Figura 1: Esquema de blocos da configuração de medição.

Os moduladores klystron são elementos-chave em lasers de elétrons livres. Eles fornecem pulsos de alta voltagem para polarizar tubos klystron com energias de várias centenas de joules. As variações de amplitude afetam diretamente o ganho e a fase dos pulsos de RF amplificados e, portanto, os campos de aceleração criados pelas cavidades de RF. Um grande esforço é feito para minimizar essas variações com moduladores klystron e regulação de pulso de RF.

Para máquinas como o SwissFEL (Swiss Free Electron Laser), a estabilidade de pulso HV necessária é de 15 ppm (partes por milhão). A estabilidade é calculada a partir de medições de 100 pulsos consecutivos obtidos a uma taxa de repetição de 100 Hz como o desvio padrão relativo das médias com gate em relação a uma amplitude de pulso média. O gate de medição está localizado ao redor do platô máximo do pulso, a chamada região de topo plano, durante a qual o pulso de RF é disparado.

Figura 2: Formas de onda após ajuste automático de deslocamento de CVD com uma porta de medição de 1 μs.

Uma técnica comum para medir essas pequenas variações envolve compensação de pulso e ampliação da região de topo plano para atingir uma resolução de quantização suficiente. No entanto, o condicionamento de sinal requer eletrônica analógica de baixo ruído na forma de amplificadores somadores e clippers com largura de banda e tempo de estabilização suficientes. Tal configuração envolveu até agora o uso de um amplificador diferencial externo para condicionamento de sinal e um osciloscópio de ponta com funcionalidade de análise estatística. A resolução desta configuração torna possível medir a estabilidade até cerca de 7 ppm, e é montada em um carrinho para que possa ser compartilhada entre estações de RF.

Começando como um projeto de aprendizagem, o objetivo era consolidar uma configuração tão volumosa e extensa em uma unidade incorporada que pudesse ser integrada a qualquer gabinete modulador de pulso, permitindo o monitoramento permanente ao vivo da estabilidade do pulso. Como um sistema versátil de aquisição de dados com firmware/software de código aberto e tamanho pequeno, o dispositivo Red Pitaya é perfeito para esta aplicação. A Figura 1 mostra o diagrama de blocos de como uma placa Red Pitaya STEMlab 125-14 de 4 entradas, conectada a uma placa de condicionamento de sinal desenvolvida no PSI, é usada para medir a estabilidade de pulso de moduladores klystron.

Figura 3: Unidade de medição de pulso.

A corrente de pulso e a tensão são medidas simultaneamente, enquanto apenas o sinal de tensão é usado para as estatísticas de estabilidade. A tensão de deslocamento de pulso necessária é definida automaticamente por um DAC de precisão de 16 bits antes que as estatísticas sejam calculadas. Há um fator de ganho de 20 (26 dB) entre a tensão de pulso de faixa completa no canal 3 e a tensão de topo plano no canal 4, dando um aumento teórico na resolução de 4.3 bits. Em princípio, esse ganho pode ser aumentado ainda mais para dar uma resolução ainda maior, mas na prática o pulso não é puramente retangular, mas tem uma faixa dinâmica devido à queda do pulso e à não planicidade. A Figura 2 mostra como as formas de onda reais podem parecer em operação. O traço amarelo mostra a corrente de pulso, enquanto os traços vermelho e azul mostram as tensões de pulso de faixa completa e topo plano ampliadas, respectivamente.

A configuração apresentada aqui foi capaz de medir a estabilidade do pulso de 7–8 ppm em operação, com um limite de resolução de 5–6 ppm em um comprimento de porta de 1 µs e 67% da escala completa do ADC.

O software em execução no Red Pitaya é construído em torno da API C padrão e inclui a pilha OPC-UA do open62541.org para permitir a comunicação e a transferência de dados por meio da abordagem de servidor e cliente. A integração em nosso ambiente de sistema de controle (EPICS) está em andamento.

O conjunto completo é chamado de Unidade de Medição de Pulso (PMU) e oferece muitos recursos adicionais, como a regulação de uma fonte de alimentação de carga de alta tensão, interface com IOs opto-isoladas e um PLL de baixa oscilação para bloquear frequências de sincronização externas para gerar um relógio ADC sincronizado. Com um tamanho geral de 160 x 100 mm, a unidade se encaixa facilmente em um rack Eurocard ou pode ser montada em um trilho DIN, conforme mostrado na Figura 3.