Die 12 Abschnitte des K¨uhlsystems werden nun ¨uber einen Y-f¨ormigen Verteiler an die K¨uhlwasserversorgung angeschlossen. Desweiteren wird die Wassertemperatur am jewei-ligen Ausgang eines Abschnitts mit einem Pt100-F¨uhler gemessen. Wegen ¨Anderungen in der Positionierung der Bauteile des FRANZ-Beschleunigers im FRANZ-Bunker musste die Einkoppelschleife mit einem der beiden Tuner getauscht werden. Der statische Tu-ner wurde nun oben montiert w¨ahrend die Einkoppelschleife und der dynamische Tuner jeweils an einer Seite montiert wurden.
Bei h¨oheren Leistungspegeln wurde in Betracht gezogen, Temperaturmessungen ebenso mit einer W¨armebildkamera zu t¨atigen. Jedoch strahlt die CH-Struktur zu stark Gamma-Strahlung ab um den Bunker w¨ahrend einer laufenden Messung zu betreten.
Die CH-Struktur wurde an einen 12 kW Verst¨arker von Bruker angeschlossen. Zwischen dem Verst¨arker und CH-Struktur sollte urspr¨unglich ein Zirkulator verbaut werden. Mit angeschlossenem Zirkulator war jedoch die den Verst¨arker erreichende Reflexion zu hoch.
Der Halbleiter-Verst¨arker ist f¨ur eine maximal reflektierte Leistung von 840 W ausgelegt, welche bei der geplanten Leistung von 5 kW ¨ubertroffen wird. Der Zirkulator wurde des-halb ausgebaut. Mit weiteren Untersuchen des Zirkulators besch¨aftigt sich ein eigener Abschnitt ab Seite 53. Weiterhin wurde zwischen dem Verst¨arker und der CH-Struktur ein bidirektionaler Richtkoppler eingebaut. An die beiden Auskopplungen wurden ¨uber Verbindungskabel jeweils ein Power-Meter angeschlossen. Gemessen wird damit die Vor-w¨artsleistung1 und die Reflexion2. Desweiteren wurde an einen der beiden Pick-Ups der CH-Struktur ebenso ein Power-Meter angeschlossen, an welchem die Transmission3 ge-messen wird, sp¨ater auch als eingekoppelte Leistung bezeichnet.
Der komplette elektronische Aufbau wird in Abbildung 3.6 als Flussdiagramm darge-stellt und in Abbildung B.3 abgelichtet. Urspr¨unglich wurde das Signal aus dem Fre-quenzgenerator direkt zum Verst¨arker geleitet. Jedoch fing der Verst¨arker ab ungef¨ahr 2 kW Vorw¨artsleistung immer wieder an in St¨orung zu gehen. Dabei ist davon auszuge-hen, dass es sich um schnelle Reflexionsanstiege als Ursache handelte. Um die Anstiege in der Reflexion abzufangen wurde das Signal des Frequenzgenerators durch die Regel-elektronik, zu sehen in Abbildung B.1, geleitet bevor es den Verst¨arker erreicht. Bei der angeschlossenen Regelelektronik handelt es sich um einen Amplitudenbegrenzer. Der Amplitudenbegrenzer vergleicht die Amplituden der Vorw¨artsleistung mit der Amplitude der Reflexion. Sollte Letztere in Relation zu der Amplitude der Vorw¨artsleistung zu groß werden, wird der Signalpegel auf ein Minimum reduziert. Er ist auf eine Reaktionszeit von mehreren 10µs ausgelegt. Der Ausgangs-Pegel des Signals wird ¨uber ein Potentio-meter mit Skalenknopf eingestellt. Trotz funktionierendem Amplitudenbegrenzer ist der Verst¨arker weiterhin nach einer beliebigen Zeit in St¨orung gegangen. Die Reflexionsan-stiege m¨ussen also innerhalb von einigenµs vom Verst¨arker erkannt worden sein, somit schneller als der Amplitudenbegrenzer reagieren kann.
1Entspricht der vom Verst¨arker ausgehenden in Richtung der CH-Struktur propagierenden Leistung.
2Entspricht der an der CH-Struktur reflektierten in Richtung des Verst¨arkers propagierenden Leistung.
3Entspricht der in den Feldern der CH-Struktur gespeicherten Leistung.
Vorwärtsleistung Reflexion Eingekoppelte Leistung
Signal des Frequenzgenerator
Power-Meter
Oszilloskop
Verstärker
Amplituden-begrenzer Tuner-Regelung
Abbildung 3.6.: Flussdiagramm des Messaufbau. Abgerundete Boxen stellen Signale dar w¨ahrend die Rechtecke ein HF-Bauteil darstellen.
Der Amplitudenbegrenzer blieb weiterhin angeschlossen, da sich dar¨uber der Pegel fei-ner einstellen ließ. Es wird vermutet, dass der Grund f¨ur die schnellen Reflexionsanstiege in der verlegten 3 1/8”Koaxial-Leitung zwischen der CH-Struktur und dem Verst¨arker liegt. In dieser k¨onnte es durch feine Schmutzpartikel bei hohen Leistungen zu Span-nungs¨uberschl¨agen gekommen sein, welche einen Reflexionsanstieg verursachen w¨urden.
Diese Vermutung wird dadurch bekr¨aftigt, dass sobald der Verst¨arker in St¨orung geschal-tet hat weder ein Anstieg im Druck zu sehen war noch das Oszilloskop einen Anstieg in der Reflexion angezeigt hatte bevor die St¨orung auftrat. Damit die Resonanzfrequenz des Resonators ¨uber die Dauer des Versuches konstant bei 175 MHz bleibt, muss der dynamische Tuner dementsprechend verfahren werden. Angetrieben von einem feinen Schrittmotor wird der Tuner von der Tuner-Regelung gesteuert, zu sehen in Abbildung B.2. Diese regelt die Tunerposition auf einen vorgegeben konstanten Phasenunterschied zwischen der Vorw¨artsleistung und der Transmission.
Der Phasenversatz wird grob ¨uber einen Laufzeitunterschied eingestellt. Die Feineinstel-lung erfolgt ¨uber eine Stellschraube, welche in Abbildung B.2 rechts von der mittleren
Anzeigeeinheit mit der BeschriftungPhase zu erkennen ist. Bei Bedarf kann die Position des Tuners auch per Hand angepasst werden. Dar¨uber hinaus wurde noch ein Oszillo-skop angeschlossen um ein Feedback der Signale in Echtzeit zu bekommen und m¨ogliche h¨ohere Moden bestimmen zu k¨onnen.
Zum Protokollieren der Daten kam das Kontrollsystem MNDACS zum Einsatz. In der Programmiersprache Java geschrieben ist die Lauff¨ahigkeit des Programms auf den meis-ten Systemen gew¨ahrleistet. MNDACS erm¨oglicht die Kommunikation mit sowohl lokal, als auch ¨uber ein Netzwerk angeschlossenen Ger¨aten. In einem Netzwerk k¨onnen meh-rere Instanzen von MNDACS auf verschiedenen Rechnern gleichzeitig ohne Probleme gestartet werden. Ein dezentrales Verteilungs- und Registrierungsprotokoll, ¨uber wel-ches die Instanzen kommunizieren k¨onnen, erm¨oglicht dies. MNDACS kann ¨uber das Protokollieren der Daten hinaus auch als Steuerungseinheit f¨ur die angeschlossenen Ge-r¨ate dienen.[20]
Die Treiber, um mit dem Frequenzgenerator, den Power-Metern und den Temperatursen-soren zu kommunizieren, waren bereits vorhanden. Lediglich der Treiber f¨ur die Druck-messr¨ohre musste noch im Rahmen dieser Arbeit erstellt werden. Vom Programm wur-den folgende Daten w¨ahrend den Messungen aufgezeichnet: 15 Temperatursensoren, der Druck, drei Leistungen, die Sendefrequenz, der Signalpegel und die Phase. Die Druck-messr¨ohre wurde ¨uber die RS232-Schnittstelle ins Netzwerk eingegliedert w¨ahrend die Temperatursensoren ¨uber einen eigenen Controller mit dem Netzwerk verbunden wur-den.
3.3. Konditionierung
Zu Beginn der Konditionierung betrug der Druck in der Kavit¨at 7,4·10−8mbar. Im ersten oberen Drittel ist der relative Temperaturverlauf dargestellt. Dabei wird von den Außenf¨uhlern, den St¨utzen und den Tank-Sektionen jeweils nur der Verlauf des w¨armsten F¨uhlers abgebildet. Weiterhin wird nicht die absolute Temperatur, sondern eine Tempe-raturerh¨ohung gezeigt.
11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00
Temperaturerhoehung [°C]
Aussenfuehler
Stuetzen Tank
Deckel Einkoppelschleife
Stat. Tuner Dyn. Tuner
0
11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00
0
Leistung [W] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
11:00 11:15 11:30 11:45 12:00 12:15 12:30 12:45 13:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.7.: Konditionierung bis 10 W
F¨ur den jeweiligen Referenzpunkt der Temperaturf¨uhler wurde ein Mittelwert genom-men, welcher aus einer 44-Stunden Messung ohne anliegende Leistung gebildet wurde.
Dar¨uber hinaus wurde auf die Temperaturrohdaten ein moving-average-Filter
angewen-det um das erkennbare Rauschen der Werte zu verringern. Im zweiten Drittel ist der Verlauf der drei gemessenen Leistungen dargestellt. Hierbei gibt die rechte Achse Infor-mationen ¨uber die Reflexion. Im letzten Drittel werden die Druckdaten abgebildet.
-0.1
07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00
Temperaturerhoehung [°C]
07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00
0
Leistung [W] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
07:30 08:00 08:30 09:00 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.8.: Konditionierung bis 60 W
Der erste Plot, zu sehen in Abbildung 3.7, zeigt die Konditionierung bis 10 W. Die eingekoppelte Leistung n¨ahert sich stetig an die Vorw¨artsleistung an, es kann also lang-sam immer mehr Leistung in den CH-Rebuncher eingekoppelt werden. Weiterhin ist zu erkennen, dass die ersten 6 Minuten das Power-Meter f¨ur die Messung der Vorw¨ artsleis-tung keine Messdaten geliefert hat, was durch einen erneuten Verbindungsaufbau ¨uber MNDACS behoben werden konnte. Ebenso ist der Einfluss des Tuners auf die Reflexion, die Vorw¨artsleistung und den Vakuumdruck erkennbar. Der Tuner wurde bei den gr¨
o-ßeren Spr¨ungen per Hand nachgestellt um die Einkopplung zu optimieren. Dies hat eine Reduzierung der Reflexion und eine Erh¨ohung der eingekoppelten Leistung zur Folge ebenso wie einen kurzen Anstieg im Druck.
-0.1
10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00
Temperaturerhoehung [°C]
10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00
0
Leistung [W] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.9.: L¨angere Konditionierung mit 60 W
Die Plots bis 3000 W zeigen eine deutliche Schwankung in den gemessenen Temperatu-ren, was auf nat¨urliche Temperaturschwankungen in der K¨uhlwasserversorgung zur¨uck zu schließen ist. In der 44-Stunden Messung wurden Differenzen von bis zu 0,4◦C fest-gestellt. In Abbildung 3.8 ist gegen Ende der Messung ein leichtes Rauschen in der Reflexion und zeitgleich im Druck zu erkennen. Dies ist ein Effekt der Konditionierung, bei dem Restpartikel innerhalb der CH-Struktur abgetragen werden. Gegen 12:10 Uhr kann das Ausschalten der Leistung beobachtet werden, was einen Anstieg im Druck zur
Folge hat.
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
Temperaturerhoehung [°C]
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
1
Leistung [W] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6 10-5
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.10.: Konditionierung bis 500 W
In allen Plots ist ein Offset zwischen der eingekoppelten Leistung und der Vorw¨ arts-leistung zu erkennen, obwohl sich beide nahezu decken m¨ussten. Verursacht wird dies durch einen Messfehler w¨ahrend der Kalibrierung, welcher sich nicht beheben l¨asst. Der entstandene Fehler wird auf 0,5 dB abgesch¨atzt. Die Leistungsangaben in den Abbil-dungsbeschreibungen beziehen sich auf die eingekoppelte Leistung und liegen damit im unteren Ende vom Fehlerbereich. In Abbildung 3.9 ist ein Rauschen in der Reflexion und dem Druck zu sehen. Dieses Verhalten l¨asst sich durch eine Ausgasung von Restpartikeln erkl¨aren. Das Rauschen ist auch in der eingekoppelten Leistung und der Vorw¨ artsleis-tung sichtbar. Abbildung 3.10 zeigt die Vorgehensweise bei der Konditionierung bis die
St¨orungen im Verst¨arker auftraten. Es wurde abgewartet bis der Druck mindestens bei 8·10−7mbar oder niedriger war. Dann wurde der Sendepegel erh¨oht und somit mehr Leistung in die CH-Struktur eingekoppelt. Daraufhin wurde wieder abgewartet bis der Druck tief genug gesunken war. Bei 500 W eingekoppelter Leistung ist eine erste Erw¨ ar-mung der Komponenten zu erkennen.
-0.2
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
Temperaturerhoehung [°C]
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
1 10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-6 10-5
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.11.: Konditionierung bis 1300 W
In Abbildung 3.11, aber auch schon in den vorherigen Plots, ist eine Korrelation zwischen Schwankungen in der Temperatur und der Reflexion erkennbar. Dabei wird die Reso-nanzfrequenz durch die kleinen ¨Anderungen in der Temperatur um ∼1 kHz verschoben.
Da das Tuning-System nicht darauf ausgelegt ist, auf ¨Anderungen dieser Gr¨ oßenord-nung zu reagieren, bleiben die Effekte in den Leistungen sichtbar. Der starke Anstieg in
der Reflexion und das Abfallen der Temperatur gegen 12 Uhr waren das Produkt einer St¨orung im Verst¨arker, verursacht durch den Frequenzgenerator. Dieser hat bei einem Wechsel vom Signalpegel von -7,63 dBm auf -7,62 dBm eine Reflexion verursacht, welche den Verst¨arker in St¨orung gehen l¨asst.
0
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
Temperaturerhoehung [°C]
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.12.: Konditionierung bis 2000 W
In Abbildung 3.12 treten um 22:10 Uhr zum ersten Mal St¨orungen des Verst¨arkers wegen zu hoher kurzzeitiger Reflexion auf. Sobald die St¨orung auftritt fallen die Wassertempe-raturen schnell ab. Die CH-Struktur speichert die W¨arme allerdings ¨uber einen l¨angeren Zeitraum, sichtbar an den Werten des Außenf¨uhlers. Das Auftreten einer St¨orung und somit der Wegfall der Leistung ist daran zu erkennen, dass die Leistung einen konstanten Wert annimmt. Ebenso sinkt der Druck bei den inzwischen eingekoppelten 2000 W nach
einem Ausfall der Leistung merkbar.
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00
Temperaturerhoehung [°C]
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.13.: L¨angere Konditionierung mit 2000 W
Die in Plot 3.13 abgebildete Reihenfolge in der Erw¨armung der Sensoren wird sich w¨ ah-rend der Konditionierung nicht ¨andern. Am w¨armsten wird der Außenf¨uhler, da der CH-Rebuncher außen nur indirekt ¨uber Abstrahlung und den Luftkontakt gek¨uhlt wird.
Die w¨armste Wassertemperatur wird bei den St¨utzen gemessen. Auf den St¨utzen fließt ein hoher Strom und somit entstehen dort auch die meisten Verluste. Als drittw¨armste Temperatur folgen die Deckel. Danach kommen die Wassertemperaturen des Tanks und der Einkoppelschleife, welche fast deckungsgleich sind. Als k¨uhlstes sind die Temperatu-ren des dynamischen und statischen Tuners, welche ebenso fast deckungsgleich sind. Die Außentemperatur nimmt erst nach einiger Verz¨ogerung den Verlauf der anderen
Tempe-raturen an, da die W¨arme erst durch den Stahl propagieren muss.
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00
Temperaturerhoehung [°C]
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 1
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.14.: Konditionierung bis 3000 W
In Abbildung 3.14 ist um 2:30 Uhr eine Anomalie im Vakuumdruck zu sehen. W¨ahrend der Anstieg gegen Ende der Messung durch spontanes Ausgasen erkl¨art werden kann, ist der sprunghafte Abfall um fast eine Gr¨oßenordnung unerwartet. Dieses Verhalten l¨asst auf eine zeitweise fehlerhafte Datenerfassung der Druckmessr¨ohre schließen.
-0.5
11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
Temperaturerhoehung [°C]
11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.15.: Konditionierung bis 4000 W
Plot 3.15 zeigt die Vorgehensweise seitdem die St¨orungen des Verst¨arkers aufgetreten sind. Es wurde versucht ein neues, auf einige Minuten stabiles Maximum in der einge-koppelten Leistung zu erreichen und diesen Leistungspegel ¨uber einige Zeit ohne Ausf¨alle aufrecht zu halten. Sobald dies f¨ur einige Stunden erreicht wurde, konnte ein neues Ma-ximum gesucht werden.
-0.5
15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
Temperaturerhoehung [°C]
15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7
15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.16.: Konditionierung bis 5400 W
Nach der Konditionierung konnte die f¨ur den Betrieb von FRANZ angesetzte Leistung f¨ur einige Zeit ohne Zirkulator aufrecht gehalten werden, gezeigt in Abbildung 3.16. Das Ziel dieser Konditionierung ist eine eingekoppelte Leistung von ¨uber 10 kW.
-0.5
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00
Temperaturerhoehung [°C]
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.17.: Konditionierung bis 6000 W
Abbildung 3.17 zeigt die Messung nach Inbetriebnahme des Amplitudenbegrenzers. Der Ausfall der Leistung um 12:45 und um 13:15 zeigt jedoch, dass der Amplitudenbegrenzer die entstehende Reflexion und somit die St¨orung des Verst¨arkers nicht unterbinden kann.
0
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00
Temperaturerhoehung [°C]
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00
1 10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7
14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.18.: L¨angere Konditionierung mit 5000 W
Die CH-Struktur konnte mit der f¨ur FRANZ geplanten Leistung, ohne das der Verst¨arker in St¨orung ging, betrieben werden, gezeigt in Abbildung 3.18. Der Druck befand sich bei 1,1·10−7mbar. Die Temperatur der kompletten Struktur erh¨oht sich um nur 3,5◦C, w¨ahrend die Wassertemperatur der St¨utzen sich maximal um 1,5◦C erw¨armt. Das K¨ uhl-Konzept des CH-Rebunchers ist somit f¨ur die angedachte Leistung mehr als ausreichend.
0
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
Temperaturerhoehung [°C]
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
1 10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.19.: Konditionierung bis 7000 W
Abbildung 3.19 zeigt ein in den vorherigen Messungen noch nicht beobachtetes Verhalten im Druck ab 18 Uhr. Es wird vermutet, dass es sich um Ausgasungen der Dichtungen oder der Schweißn¨ahte handelt. Sie k¨onnen durch einen mechanischen Zug verursacht werden, welcher durch eine Temperaturdifferenz entsteht. Diese liegt zum Beispiel vor, wenn die St¨utzen auf die Wassertemperatur abgek¨uhlt sind, jedoch der Tank noch deutlich w¨armer ist, da der im Vergleich zu den St¨utzen dickere Stahl mehr W¨arme speichert.
0
11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
Temperaturerhoehung [°C]
11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.20.: Konditionierung bis 9000 W
Abbildung 3.20 zeigt, dass die Tunerregelung je nach eingestelltem Phasenunterschied und tats¨achlich anliegender Phase keinen stabilen Arbeitspunkt finden kann, weswegen die Reflexion langsam ansteigt.
-1
16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00
Temperaturerhoehung [°C]
16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7
16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.21.: L¨angere Konditionierung mit 8000 W
W¨ahrend der fortlaufenden Konditionierung trat zwischen der zuletzt abgebildeten Mes-sung und der in Abbildung 3.21 gezeigten MesMes-sung ein Stromausfall auf, in dessen Verlauf die CH-Struktur bel¨uftet wurde. Nach einigen Tagen konnten wieder 8000 W eingekop-pelt werden, welche in einem stabilen Betrieb ¨uber mehrere Stunden hinweg anlagen.
-1
09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00
Temperaturerhoehung [°C]
09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.22.: Konditionierung bis 11000 W
Abbildung 3.22 zeigt, das der CH-Rebuncher ungef¨ahr 45 Minuten ben¨otigt um auf die Temperatur der K¨uhlwasserversorgung abzuk¨uhlen. Die Bauteile, welche in Relation zu der wasserdurchflossenen Fl¨ache und der Wassermenge aus wenig Stahl gefertigt wurden, k¨uhlen nahezu instantan ab. Zu solchen Bauteilen geh¨oren beide Tuner und die St¨utzen.
Der Tank, die Deckel und die Einkoppelschleife wurden aus mehr Material gefertigt beziehungsweise werden nicht großfl¨achig von Wasser durchflossen und ben¨otigen somit einige Minuten zum abk¨uhlen.
-1
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
Temperaturerhoehung [°C]
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7
12:00 16:00 20:00 00:00 04:00 08:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.23.: L¨angere Konditionierung mit 9000 W
In Plot 3.23 nimmt im Druck das Ausgasen nach dem Wegfallen der Leistung um∼11:30 Uhr einen anderen Verlauf als zuvor gezeigt. Dabei beginnen die Ausgasungen erst wenn die CH-Struktur abgek¨uhlt ist.
-1
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Temperaturerhoehung [°C]
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
10 100
Leistung [kW] Leistung [W]
Reflexion (Rechte Achse) Vorwaertsleistung (Linke Achse)
Eingek. Leistung (Linke Achse)
10-7 10-6
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Druck [mbar]
Uhrzeit
Abbildung 3.24.: L¨angere Konditionierung mit 11000 W
Abbildung 3.24 zeigt bei 11 kW eingekoppelter Leistung in den gemessenen Leistungen ein sichtbares Rauschen, jedoch ohne dazu korrespondierende Ereignisse im Druck. Wei-terhin wurden w¨ahrend der Konditionierung h¨ohere Moden in der Leitung beobachtet.
Abbildung 3.25 und Abbildung 3.26 zeigen dabei das Ergebnis der Oszilloskop-eigenen FFT (
”Fast Fourier Transformation“), in welcher die h¨oheren Moden deutlich zu er-kennen sind. Ungeradzahlige h¨ohere Moden waren st¨arker ausgebildet als geradzahlige h¨ohere Moden. Die h¨oheren Moden sind ebenso in den Signalen sichtbar, zum Beispiel zu erkennen in Abbildung 3.25 in der oberen H¨alfte im dritten, blauen Signal. Das Ergebnis der FFT konnte nicht in eine Datei exportiert werden, weswegen ein Screenshot erstellt wurde.
Abbildung 3.25.: H¨ohere Moden in der Vorw¨artsleistung. In der oberen H¨alfte ist in gelb das Signal der Vorw¨artsleistung, in cyan die eingekoppelte Leis-tung und in blau die Reflexion dargestellt. Die zweite H¨alfte zeigt die FFT. Der h¨ochste Peak befindet sich bei der ResonanzfrequenzfR von 175 MHz. Die weiteren Ausschl¨age sind bei Vielfachen der Resonanz-frequenz positioniert.
Abbildung 3.26.: H¨ohere Moden in der Reflexion
Zirkulator
Parallel zur Konditionierung wurde das Verhalten eines zweiten Zirkulator-Verst¨ arker-Systems untersucht. Zuerst wurde vermutet, dass die K¨uhlung des Zirkulators unzurei-chend war. Eine Messung des Wasserflusses konnte dies jedoch ausschließen. Als n¨achster Schritt wurde die Kalibrierung mit Hilfe eines Netzwerkanalysators ¨uberpr¨uft. Die ge-messen Parameter haben mit den vom Hersteller gege-messenen Daten ¨ubereingestimmt.
Der n¨achste Schritt um die Ursache der hohen Reflexion zu finden war ein sogenannter power sweep. Bei einem power sweep wird bei vorgegebener Frequenz ein Signal ¨uber einen Leistungsbereich variiert und die Reaktion des zu untersuchenden Bauteils proto-kolliert. Bei dem sweep wurde ein Netzwerkanalysator als Signalgeber benutzt. Das Signal wurde durch den zweiten Verst¨arker verst¨arkt. An dem zweiten Port des Netzwerkana-lysators wurde ein Port des verst¨arkereigenen Richtkopplers angeschlossen, welcher die Reflexion misst. Das Ergebnis des sweeps ist in Abbildung 3.27 zu sehen.
Abbildung 3.27.: Power sweep des Zirkulators. Der Screenshot wurde am Netzwerkana-lysator erstellt.
Dabei entsprechen die 5 dBm ungef¨ahr 8 kW. Wie zu erwarten ist die D¨ampfung des Zir-kulators leistungsabh¨angig. Jedoch l¨asst die Messung vermuten, dass der Zirkulator bei ausreichend hoher Leistung kalibriert werden sollte und nicht bei einer kleinen Leistung welche ein Netzwerkanalysator bereitstellt.
Abbildung 3.28.: Unterdr¨uckte h¨ohere Moden in der Vorw¨artsleistung nach Einbau des Zirkulators
Am Zirkulator befinden sich vier Stellschrauben, von denen zwei f¨ur die Kalibrierung genutzt wurden. Die Reflexion, welche den Verst¨arker erreichte, ließ sich auf 15 W bei 11 kW Vorw¨artsleistung reduzieren. Nachdem der andere Zirkulator wieder zwischen die CH-Struktur und den Verst¨arker eingebaut wurde und ebenso bei hoher Leistung kali-briert wurde konnten keine Probleme mehr wegen zu großer Reflexion festgestellt werden.
Ebenso wurden die h¨oheren Moden, welche sich in der Leitung ausgebildet hatten, durch den Zirkulator fast vollst¨andig unterdr¨uckt, wie in Abbildung 3.28 und 3.29 zu sehen ist.
Abbildung 3.29.: Unterdr¨uckte h¨ohere Moden in der Reflexion nach Einbau des Zirkula-tors, gemessen zwischen der CH-Struktur und dem Zirkulator
120-Stunden Test
Nachdem der Zirkulator wieder seine urspr¨ungliche Funktion erf¨ullt hatte, konnte der CH-Rebuncher ohne Ausf¨alle des Verst¨arkers, wegen zu hoher Reflexion, ¨uber mehrere Tage hinweg bei hohen Leistungen betrieben werden. Der Betrieb erstreckte sich ¨uber 120 Stunden. Die Daten der Messung sind in Abbildung 3.30 abgebildet.
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12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00
Temperaturerhoehung [°C]
Aussenfuehler
Stuetzen Tank
Deckel Einkoppelschleife
Stat. Tuner Dyn. Tuner
Stat. Tuner Dyn. Tuner