DE102004028441B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Spitzenwerte von periodisch auftretenden Nutzsignalen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Spitzenwerte von periodisch auftretenden Nutzsignalen (1, 2, 3) mit den Schritten:
– periodische Erzeugung von Signalen (4),
– Verknüpfung der periodisch erzeugten Signale (4) mit den periodisch auftretenden Nutzsignalen (1, 2, 3) derart, dass eine steigende oder fallende Flanke (F2) der periodisch erzeugten Signale mit dem Spitzenwert (3) des Nutzsignals (1, 2, 3) wiederkehrend zeitlich zusammenfällt,
Ermitteln der Nutzsignale (1, 2, 3) im Zeitpunkt der steigendenden bzw. fallenden Flanken (F2) der periodisch auftretenden Signale (4).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für die Messung eines periodisch auftretenden Signals, welches zum Beispiel von gebündelten und geladenen Teilchen stammt. Ein solches periodisches Signal tritt u. a. bei ringförmigen Teilchenbeschleunigern mit zirkulierenden Teilchen auf.
• Verfahren zur Ermittlung der Spitzenwerte von periodisch auftretedenden Nutzsignalen durch Abtasten sind den Druckschriften DE 2923963 C2 sowie DE 197 52 122 A1 zu entnehmen.
• Für die Bestimmung der Position von Teilchen in Teilchenbeschleunigern werden die Signale von Positionsmonitoren für die Kontrolle oder Regelung des Beschleunigers verarbeitet und dargestellt. Kondensatoren bzw. kapazitive Elektroden werden regelmäßig als Monitor für die Bestimmung der Position der Teilchen eingesetzt. Fliegt ein elektrisch geladenes Teilchen durch einen Kondensator, so verschiebt dieses elektrische Ladung im Kondensator. Es wird also in jeder Elektrode des Kondensators ein elektrisches Signal erzeugt. Weist ein Teilchen beim Fliegen durch den Kondensator exakt den gleichen Abstand zu den zwei Elektroden eines Kondensators auf, so gleichen sich die beiden elektrischen Signale dem Betrag nach. Werden diese elektrischen Signale gemessen und werden die beiden Messwerte voneinander subtrahiert, so ist das Ergebnis Null, wenn der vorgenannte gleiche Abstand vorlag. Eine Differenz der Messwerte ungleich Null ergibt sich, wenn die vorgenannten Abstände zu den Elektroden bzw. Platten des Kondensators ungleich sind. Die in einem Kondensator erzeugten elektrischen Signale sind somit ein Maß für die Position des Teilchens.
• Um die horizontale Position der Teilchen bestimmen zu können, sind die Elektroden bzw. Platten eines ersten Kondensator links und rechts von der zu erwartenden Bahn der Teilchen angeordnet. Es resultieren Messwerte „L" bzw. „R" von der linken bzw. rechten Kondensatorplatte. Um die vertikale Position der Teilchen bestimmen zu können, sind die Platten eines zweiten Kondensators oberhalb und unterhalb von der zu erwartenden Bahn der Teilchen angeordnet. Es resultieren Messwerte „U" bzw. „D" von der oberen bzw. unteren Kondensatorplatte.
• Für die Beschleunigung werden die in einem ringförmigen Teilchenbeschleuniger fliegenden Teilchen durch das beschleunigende Wechselfeld räumlich gebündelt bzw. in sogenannte Bunche komprimiert. Die Positionsmonitore, also die Kondensatoren liefern folglich periodische Impulse bzw. Signale. Die Frequenz und die relative zeitliche Länge der Impulse bezogen auf die Periodenzeit (Tastverhältnis) ändern sich im Laufe des Beschleunigungsprozesses mit großer Dynamik. Besonders bei schwereren Teilchen ist dieser Effekt deutlich ausgeprägt.
• Eine typische Umlauffrequenz in einem ringförmigen Teilchenbeschleuniger liegt bei 1 MHz. Die Erfassung der Position der Teilchen bzw. Teilchenbündel und die Verarbeitung muss also entsprechend schnell erfolgen. Bei einer derart hohen Umlauffrequenz resultiert eine entsprechend große Datenmenge, die verarbeitet werden muss. Die Nutzsignale müssen ferner von den Störsignalen, also dem Untergrund getrennt werden.
• Die Monitorsignale, also die von Kondensatoren stammenden Spannungssignale bzw. Messwerte L und R sowie U und D werden üblicherweise verstärkt und durch analoge Tiefpassfilter bandbegrenzt. Typischerweise wird der Frequenzbereich von 0 bis 500 MHz herausgefiltert. Bei schweren Teilchen liegt der heraus gefilterte Frequenzbereich bei 0 bis 100 MHz. So gelingt eine erste Abtrennung von Störsignalen.
• Die Monitorsignale, also die Messwerte können durch eine geeignete analoge Elektronik vor der Digitalisierung in SUM (L+R+U+D) und DIF (L-R, U-D) Werte umgewandelt werden. Die Werte werden dann digitalisiert, so zum Beispiel mit einer Abtastrate im GHz-Bereich. Die weitere Verarbeitung kann rein digital erfolgen. Die Summe (SUM) vermittelt eine Information über die Anzahl der Teilchen, die sich in einem Bündel befinden.
• Falls eine hierfür geeignete analoge Elektronik nicht vorhanden ist, können die SUM und DIF Werte nach der Digitalisierung numerisch erzeugt werden.
• Jedem Monitor ist eine eigene Elektronik zugeordnet. Die Elektronik besteht regelmäßig aus einem Taktgenerator, einem Vorverstärker, einem Datenerfassung- und Speichermodul, einer Steuer- und Kommunikationseinheit. Diese Elektronik wird BPM Station genannt. Die BPM Stationen sowie Referenz- und Triggerverbindungen werden über ein elektronisches Netzwerk ins Kontrollsystem der Anlage eingebunden.
• Nutzsignale treten in Form von abgerundeten Impulsen (Gaußimpulse) auf, die wir nachfolgend auch „Peaks" nennen. Werden von den Impulsen nur die Spitzenwerte gemessen und verarbeitet, so kann so die anfallende Datenmenge minimiert werden. Auch geben die Messwerte dann besonders rauscharm z. B. die zu ermittelnde Position der Teilchen bzw. Bündel wieder.
• Zielsetzung einer solchen Messung ist es daher, periodisch oder nichtperiodisch auftretende Spitzenwerte bei den entlang der Flugbahn installierten Monitoren erfassen zu können. Dies ist nicht nur für die Beobachtung von Teilchenbündeln oder Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger von Vorteil. Eine gleich gelagerte Problemstellung gibt es auch bei der Spitzenwerterfassung von allen periodisch oder nichtperiodisch auftretenden Signalen mit symmetrischer Spitzenform, einzeln oder mehrfach entlang eines Mediums, in dem sich die Signale ausbreiten.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, auftretende Nutzsignale verbessert messen zu können.
• Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Zur Lösung der Aufgabe erzeugt ein Oszillator oder Taktgenerator ein periodisches Signal und zwar insbesondere ein periodisches Rechtecksignal, welches in Frequenz und Phase mit dem in Form eines Peaks bzw. Impulses auftretenden Nutzsignal so verknüpft wird, dass eine steigende oder fallende Flanke des periodisch erzeugten Signals mit dem Spitzenwert des Impulses wiederkehrend zeitlich zusammenfällt. Es wird dann der jeweils auftretende Wert des Peaks im Zeitpunkt der steigendenden bzw. fallenden Flanke des periodisch auftretenden Signals gemessen.
• Auf diese Weise kann der Messwert besonders genau erfasst werden, da das Nutzsignal sich dann besonders stark von Störsignalen abhebt und auch die Spitze eines Peaks bzw. Impulses regelmäßig besonders gut die gesuchte Information wiedergibt. Auch wird erreicht, dass für die Erfassung eines Nutzsignals die Zahl der Messwerte gering gehalten wird. Da entsprechend wenige Messwerte verarbeitet werden müssen, gelingt eine schnelle Auswertung der Messwerte.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mit Hilfe eines Phasendetektors die gewünschte Verknüpfung des periodischen Signals mit dem periodisch auftretenden Nutzsignal vorgenommen.
• Aus dem Stand der Technik ist bekannt, für die Regelung der Phasenlage Regelschleifen mit geschlossener Phase (Phase Locked Loop, PLL) einzusetzen. Der Phasendetektor einer aus dem Stand der Technik bekannten PLL vergleicht einen Nulldurchgang eines Nutzsignals mit dem Nulldurchgang eines vom Oszillator oder Taktgenerator stammenden Signals. Gibt es eine zeitliche Differenz zwischen diesen Nulldurchgängen, so wird das Signal des Oszillators oder Taktgenerators so verändert, bis die beiden Nulldurchgänge zeitgleich auftreten. Im Unterschied hierzu wird erfindungsgemäß zunächst die zeitliche Differenz t1 ermittelt, die zwischen der Flanke F1 [auch F(1) genannt] eines durch einen Oszillator oder Taktgenerator periodisch erzeugten Signals und der zeitlich folgenden ansteigenden Flanke eines Nutzsignals auftritt. Anschließend wird die zeitliche Differenz t2 ermittelt, die zwischen der fallenden Flanke eines Nutzsignals und der zeitlich folgenden Flanke F(1 + 2n) (n = ganze Zahl) des periodisch erzeugten Signals auftritt. Anschließend wird die Differenz zwischen t1 und t2 gebildet und das periodisch erzeugte Signal so geregelt, dass diese Differenz Null ist. Die Phasenschleife ist dann geschlossen.
• Die Regelung kann durch mittels t1 und t2 gesteuerte Gegentakt-Ladungspumpen analog oder durch mittels t1 und t2 als Gatesignal gesteuerten up-down Zähler digital erfolgen.
• Für analog abstimmbare VCO (Voltage Controlled Oscillator) kann das durch analoge Loopfilter gefilterte Signal der Ladungspumpen verwendet werden.
• Für rein digitale PLLs mit Direct Digital Synthesizer (DDS) kann ein phasenproportionaler numerischer Wert durch einen Up-Down Zähler erzeugt werden. Der Zähler zählt unter t1 in einer Richtung, dann unter t2 in der anderen Richtung, wobei als Zählfrequenz eine Harmonische (× 16) der erzeugten Frequenz, oder eine beliebige höhere aber auch niedrigere Hilfsfrequenz, die kein harmonisches Verhältnis zur Nutzfrequenz aufweist, anwendbar ist. Durch Anwendung einer niedrigen Hilfsfrequenz kann das Verfahren auch bei Bunchfrequenzen von mehreren Hundert MHz (z.B. Elektronensynchrotrons) eingesetzt werden.
• Im Zeitpunkt des Auftretens der periodisch erzeugten Flanke F([1 + 1 + 2n]/2) wird das Nutzsignal erfasst, wenn t1 – t2 = 0. Die Flanken der periodisch erzeugten Signale werden dabei durchnummeriert. F1 bezeichnet die zeitlich zuerst auftretende Flanke. Die zeitlich nachfolgende Flanke wird mit F2 bezeichnet usw..
• Fällt das Nutzsignal beispielsweise zwischen zwei aufeinander folgende ansteigende Flanken F1 und F3 von periodisch erzeugten Signalen, so sind diese ansteigenden Flanken F1 und F3 sowie die zeitlich dazwischen liegende, fallende Flanke F2 von zwei aufeinander folgenden, periodisch erzeugten Signalen maßgeblich. Zunächst wird die zeitliche Differenz t1 zwischen der steigenden Flanke F1 und der steigenden Flanke des Nutzsignals gemessen. Anschließend wird die zeitliche Differenz t2 zwischen der fallenden Flanke des Nutzsignals und der steigenden Flanke F3 gemessen. Die periodische Signalerzeugung wird so geregelt, dass t1 – t2 = 0 ist. Im Zeitpunkt der Flanke F2 wird dann der Spitzenwert des impulsförmigen Nutzsignals gemessen.
• Um besonders zuverlässig messen zu können, werden die Nulldurchgänge der vorgenannten Flanken als maßgebliche Zeitpunkte herangezogen. t1 und t2 geben dann die zeitliche Differenz zwischen zwei Nulldurchgängen der jeweiligen Flanken wieder. Gemessen wird dann zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der betroffenen Flanke F([1 + 1 + 2n]/2).
• Um die Messung weiter zu verbessern, wird vorteilhaft ein digitaler Oszillator zur Bereitstellung der periodisch erzeugten Signale eingesetzt. Im Vergleich zu einem analogen Oszillator können beim digitalen Oszillator die Flanken der Signale genauer ermittelt werden. Insgesamt kann daher das Endergebnis genauer ermittelt werden.
• Vorteilhaft werden die Zeiträume t1 und t2 ebenfalls digital erfasst und verarbeitet, um so zu besseren Ergebnissen gelangen zu können. Aus demselben Grund wird der Oszillator vorteilhaft digital geregelt.
• Mit der Erfindung wird erreicht, dass beispielsweise im Fall der Beobachtung von Teilchen oder Teilchenbündeln (Bunchen) im Teilchenbeschleuniger die Daten im Vergleich zum Stand der Technik schneller zur Verfügung stehen und besser geregelt werden können. Es ist dann möglich, die Qualität des Teilchenstrahls zu verbessern. Hieraus resultiert die Möglichkeit, Teilchenstrahl-Experimente zu verbessern und zu verfeinern.
• Die Erfindung wird anhand von nachfolgenden Beispielen weiter erläutert.
• 1 zeigt ein gaußimpulsförmiges Nutzsignal mit einer steigenden Flanke 1, einer fallenden Flanke 2 und einem dazwischen liegenden Spitzenwert 3. Durch einen digitalen Oszillator werden periodisch Rechtecksignale 4 erzeugt. Die Flanke eines Rechtecksignals, die zeitlich vor der ansteigenden Flanke 1 des Nutzsignals liegt, wird mit F1 nummeriert. Die nachfolgenden Flanken werden fortlaufend weiter nummeriert, also mit F2, F3 usw., Die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der steigenden Flanken F1 und 1 werden bestimmt und hieraus die Differenz t1 ermittelt. Die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der fallenden Flanke 2 sowie der steigenden Flanke F3 werden bestimmt und hieraus die Differenz t2 ermittelt. Die Frequenz und Phase des digitalen Oszillators wird so eingestellt, dass t1 = t2 ist und zwar unabhängig von der Breite des Referenzsignals. Diese Betriebsart wird nachfolgend „Spitzentracking" genannt. Es wird nun zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der fallenden Flanke F2 das Nutzsignal gemessen und dieser Messwert weiter verarbeitet. Gemessen wird dann der Spitzenwert 3.
• Als Referenz wird das SUM Signal verwendet. Beim zirkulierenden Strahl überwacht der Regelkreis des Taktgenerators die Phasenlage der zirkulierenden Bunche autonom und kontinuierlich. Dadurch ist die Phase der Spitzenwerterfassung nach einer Einstellzeit immer richtig.
• In der 2 wird eine prinzipielle Schaltung des verwendeten digitalen Phasendetektors für das erfindungsgemäße Spitzentracking gezeigt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung der Spitzenwerte von periodisch auftretenden Nutzsignalen (1, 2, 3) mit den Schritten: – periodische Erzeugung von Signalen (4), – Verknüpfung der periodisch erzeugten Signale (4) mit den periodisch auftretenden Nutzsignalen (1, 2, 3) derart, dass eine steigende oder fallende Flanke (F2) der periodisch erzeugten Signale mit dem Spitzenwert (3) des Nutzsignals (1, 2, 3) wiederkehrend zeitlich zusammenfällt, Ermitteln der Nutzsignale (1, 2, 3) im Zeitpunkt der steigendenden bzw. fallenden Flanken (F2) der periodisch auftretenden Signale (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das periodisch erzeugte Signal ein Rechtecksignal ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mit einem Phasendetektor die Verknüpfung zwischen dem periodisch erzeugten Signal und dem periodisch auftretenden Nutzsignal vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – eine zeitliche Differenz t1 ermittelt wird, die zwischen einer Flanke F(1) eines periodisch erzeugten Signals und der zeitlich folgenden, ansteigenden Flanke eines Nutzsignals eines Nutzsignals auftritt, – anschließend eine zeitliche Differenz t2 ermittelt wird, die zwischen der fallenden Flanke des Nutzsignals und der zeitlich folgenden Flanke F(1 + 2n) des periodisch erzeugten Signals auftritt, wobei n ∈ 1, 2, 3, 4 ..., ist, – anschließend die Differenz zwischen t1 und t2 gebildet und das periodisch erzeugte Signal so geregelt wird, dass diese Differenz Null wird, – anschließend im Zeitpunkt des Auftretens der periodisch erzeugten Flanke F([2 + 2n]/2) das dem Spitzenwert des Nutzsignals entsprechende Signal erzeugt wird.
5. Ringförmiger Teilchenbeschleuniger mit – Monitoren für die Erfassung der im Teilchenbeschleuniger fliegenden Teilchen: – Mitteln für die periodische Erzeugung von Signalen (4), – Mitteln für die Verknüpfung der periodisch erzeugten Signale (4) mit den periodisch auftretenden Monitorsignalen (1, 2, 3) derart, dass eine steigende oder fallende Flanke (F2) der periodisch erzeugten Signale mit dem Spitzenwert (3) eines Monitorsignals (1, 2, 3) wiederkehrend zeitlich zusammenfällt, – Mitteln für die Erfassung der Monitorsignale (1, 2, 3) im Zeitpunkt der steigendenden bzw. fallenden Flanken (F2) der periodisch auftretenden Signale (4).