CALIBRAZIONE DI OGGETTI PERTURBANTI PER MISURE DI CAMPO ELETTRICO IN CAVITÀ RISONANTI IN BANDA X

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1 Facoltá di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Anno Accademico 2009/2010 CALIBRAZIONE DI OGGETTI PERTURBANTI Tesi di Laurea PER MISURE DI CAMPO ELETTRICO IN CAVITÀ RISONANTI IN BANDA X Laureando Stefano Fanella Relatore Prof. Luigi Palumbo Correlatore Prof. Andrea Mostacci

2 MOTIVAZIONI C e un interesse crescente per dispositivi RF operanti in banda X (12 GHz) per manipolazione di fasci di elettroni nei moderni acceleratori di particelle. Ragioni Compattezza Migliore dinamica delle particelle (campi e.m. più elevati) Applicazioni Generazione e accelerazione delle particelle Diagnostica del fascio (ad es. deflettori RF) Manipolazione del fascio (cavità IV armonica in acceleratori a 3 GHz) Tipi di acceleratori Laser ad elettroni liberi funzionanti: SPARC (Italia), Linac Coherent Light Source (LCLS, USA) Laser ad elettroni liberi in costruzione: SPARX (Italia), Fermi (Italia), Futuri collisori lineari per studi di fisica delle particelle: Compact LInear Collider (CLIC, Ginevra) Sorgenti di particelle compatte per applicazioni mediche, industriali

3 INDICE Nel progetto e nella realizzazione di dispositivi RF risonanti sono necessarie misure dirette del campo sulla traiettoria delle particelle 1) STUDIO TEORICO DI CAVITÀ RISONANTI 2) MISURA DI CAMPO IN STRUTTURE CHIUSE: METODO DELLA PALLINA 3) APPARATO DI MISURA (BANDA X, Labview) 4) MISURA CALIBRATA DI CAMPO ELETTRICO 5) ANALISI DEI RISULTATI E VALIDAZIONE DEL METODO

4 INDICE Nel progetto e nella realizzazione di dispositivi RF risonanti sono necessarie misure dirette del campo sulla traiettoria delle particelle 1) STUDIO TEORICO DI CAVITÀ RISONANTI 2) MISURA DI CAMPO IN STRUTTURE CHIUSE: METODO DELLA PALLINA 3) APPARATO DI MISURA (BANDA X, Labview) 4) MISURA CALIBRATA DI CAMPO ELETTRICO 5) ANALISI DEI RISULTATI E VALIDAZIONE DEL METODO

5 CARATTERIZZAZIONE ESTERNA DI CAVITÀ RF CAVITÀ RETE n-porte MATRICE DI SCATTERING dove: S ij V = = V i i + + j V V = 0, k j j Z sulla porta k j k V + V i, V j rappresentano l ampiezza dell onda uscente dalla porta i e dell onda entrante nella porta j Mediante un Analizzatore di Rete si misura il modulo e la fase di Sij 0 Parametri caratteristici cavità: frequenza di risonanza, fattore di qualità

6 MISURA DI CAMPO IN CAVITÀ RISONANTI A TEOREMA di SLATER METODO PERTURBATIVO ω p ω ω 0 0 V uur 2 uur 2 H E dv ( ) µ ε U 1 = = U 4U 0 A 0 A ω dove: V è il volume dell oggetto perturbante ω p è la pulsazione di risonanza perturbata ω 0 è la pulsazione di risonanza imperturbata U energia totale immagazzinata nella cavità Applicabile Solo a Strutture Risonanti

7 MISURA DI CAMPO ELETTRICO Se nella posizione della perturbazione c e solo campo elettrico: ω ω 0 E U = ω ω k E 1 ε 0 Una misura CALIBRATA di campo elettrico richiede: 1) Calibrazione degli oggetti perturbanti mediante cavità di riferimento con parametri noti per la determinazione del fattore di forma 3) Determinazione di ω /ω Fattore di forma 2) Misura della fase del coefficiente S 12 in funzione della posizione dell oggetto perturbante lungo l asse della cavità ω = ω tan 2 S Q L 12 S 12 ( f ) = 0 0 tan S 2Q L 12 = k E ε 0 E U 2

8 BANCO DI MISURA Analizzatore di rete Agilent Tecnologies N5230A (10MHz 20GHZ) PC GPIB-Ethernet Motore passo-passo Interfaccia sistema di misura LabVIEW Utente OTTIMIZZAZIONE DEL VIRTUAL INSTRUMENT (VI) PER LA MISURA DI CAMPO ELETTRICO E LA CALIBRAZIONE DI OGGETTI PERTURBANTI

9 INTERFACCIA LABVIEW: PANNELLO FRONTALE Connessione motore Impostazioni di controllo Selezione strumento Tempo per la scansione Lunghezza cavità Parametri effettivi per gestione motore Parametri necessari per settare il NA alla frequenza di interesse

10 SCHEMA A BLOCCHI VI PER MISURA SLATER I Impostazione parametri per la misura Ricerca della fase del S 12 alla risonanza imperturbata Phase Offset

11 SCHEMA A BLOCCHI VI PER MISURA SLATER II Eccitazione cavità alla f 0 Movimento motorino sincronizzato con la scansione 2 Fase Gradi S ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 z (cm) Posizione pallina (cm) Misura di campo E: ω/ω < 0 Acquisizione dati Ritorno dell oggetto perturbante nella posizione iniziale per una nuova misura

12 SCHEMA A BLOCCHI VI PER MISURA SLATER III Codice per la visualizzazione misura sul pannello frontale del VI

13 CAVITÀ ANALIZZATA: PILLBOX CAVITÀ CILINDRICA A SINGOLA CELLA IN BANDA X (f 0 =11.42GHz) DIMENSIONI l = 13 mm r = 10 mm ECCITAZIONE CON ANTENNE ACCOPIATE ELETTRICAMENTE Misura di campo in cavità in banda X Porta 1: ~ 0,9 cm Porta 2: ~ 1,4 cm PROBLEMATICHE: Sensibilità ad effetti spuri: variazione del diametro del filo, residui di incollaggio Dimensione ridotta degli oggetti perturbanti (quasi tutti sotto al mm) Necessaria attenzione nella misura e nella calibrazione degli oggetti perturbanti

14 MODI DELLA CAVITA PILLBOX MISURATA Modo TM010 Modo TM110 Modo TM011 Modo TE111 NON VISIBILE Calibrazione oggetto perturbante Modo Frequenza Fattore Q TM GHz 1316 TM GHz 644 TM GHz 1520 Misura di validazione

15 CALIBRAZIONE OGGETTI PERTURBANTI k E ω 1 = ω ε 0 U E z 2 Misura Teoria E U = V/m J Fase S 21 (gradi) Modo TM 010

16 OGGETTI PERTURBANTI CALIBRATI Andamento atteso per oggetti perturbanti cilindrici 1 mm 3 k E L se L / D 10 Calibrazione necessaria perché l approssimazione di oggetti cilindrici non e sempre rigorosamente valida L lunghezza D diametro Utilizzando 3 cilindri metallici: k E [m 3 ] L [mm] 6, ,6 1, ,9 4, ,2

17 MISURA CAMPO MODO TM011 k E noto dalla calibrazione misura con i diversi oggetti perturbanti utilizzati 5,00E+08 4,00E+08 E/sqrtU_0.6 E/sqrtU_0.9 E/sqrtU_1.2 E/sqrtU_Theory 3,00E+08 E/ U (v/m J) 2,00E+08 1,00E+08 0,00E+00 0,0E+00 5,0E-01 1,0E+00 1,5E+00 2,0E+00 2,5E+00 3,0E+00 3,5E+00 4,0E+00-1,00E+08 z (cm)

18 CONCLUSIONI Ottimizzazione del VI per le misure calibrate di campo elettrico in strutture risonanti in banda X (12 GHz). Calibrazione oggetti perturbanti in una pillbox in banda X Validazione dei risultati con misure campo elettrico sull`asse e verifica dell accordo con i risultati attesi.