基于LabVIEW 與 PXI創(chuàng)建用于SPring-8大型同步加速輻射設(shè)備的移相器診斷系統(tǒng)

反位線圈直流積分磁場測量系統(tǒng)

 “通過使用LabVIEW圖形化的編程與眾多函數(shù)，我們可以很容易地創(chuàng)建與測試內(nèi)容相應(yīng)的控制程序。”

– 伊藤 功 氏, 東京大學(xué)物性研究所 軌道放射物性研究施設(shè)

挑戰(zhàn)：
創(chuàng)建一套系統(tǒng)以縮短執(zhí)行直流(DC)積分磁場測量的時(shí)間。

解決方案：
使用NI LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊與 NI PXI硬件來創(chuàng)建一個反位線圈直流(DC)積分磁場測量系統(tǒng)。

作者:
伊藤 功 氏 - 東京大學(xué)物性研究所 軌道放射物性研究施設(shè) 

東京大學(xué)的研究人員在大型同步加速輻射設(shè)備SPring-8 (圖1)的基礎(chǔ)上建造了高強(qiáng)度的軟X射線發(fā)生線，用于尖端材料科學(xué)研究。

圖 1.  高強(qiáng)度軟X射線發(fā)生線，用于材料科學(xué)研究

他們在射束發(fā)生線中安裝了一個極化控制波蕩器來轉(zhuǎn)變同步加速輻射的極性(圖 2)。波蕩器是一種通過重復(fù)地彎曲電子束軌道來產(chǎn)生高強(qiáng)度同步加速輻射的裝置。

圖 2.  極化控制波蕩器的原理

極化控制波蕩器由四個產(chǎn)生水平極化的波蕩器與四個產(chǎn)生垂直極化的波蕩器組成。波蕩器與電磁移相器交替放置相互隔開。移相器安置有三塊極性電磁鐵，因此極性也是交替的。當(dāng)移相器受到激勵，會產(chǎn)生周期性變化的磁場。當(dāng)電子束通過交變磁場，它沿著凸軌運(yùn)行。凸軌會在水平與垂直極化之間產(chǎn)生相位差。通過控制相位差，以及疊加水平與垂直極化，就可以產(chǎn)生線極化與左/右圓極化。

為了使用極化控制波蕩器產(chǎn)生高質(zhì)量的同步加速輻射，移相器必須滿足幾個條件，包括：

1. 移相器的磁場應(yīng)當(dāng)具有持續(xù)穩(wěn)定的輸出，從而不會降低同步加速輻射的質(zhì)量，或是引起整個電子束軌道的彎曲以及波動。

2. 當(dāng)電子束通過移相器時(shí)所受到的磁場應(yīng)當(dāng)接近于零，這樣電子束的軌道在凸軌前后就不會有太大的改變。換句話說，移相器從輸入到輸出之間的磁場積分值(下文中，我們稱之為積分磁場[G･cm])應(yīng)該盡可能接近零。

為了滿足這些條件，我們設(shè)計(jì)制作了一個移相器原型機(jī)(圖3)。

圖 3. 移相器原型機(jī)的外觀圖與示意圖

對于移相器要求的性能評估，我們采用測量直流(DC)磁場的方式。在開發(fā)基于NI軟硬件的系統(tǒng)之前，我們先著手構(gòu)建由霍爾探頭與三維運(yùn)動裝置組成的直流磁場測量系統(tǒng)。

圖 4.  使用霍爾探頭與三維運(yùn)動裝置的直流積分測量系統(tǒng)

這套系統(tǒng)可以通過三維運(yùn)動裝置緩慢地將霍爾探頭伸入移相器來測量磁場分布，并對移動距離執(zhí)行積分。盡管如此，這并不足以來評估條件(1)，因?yàn)檫@套系統(tǒng)只對某個位置進(jìn)行數(shù)值測量來評估磁場的穩(wěn)定性與重復(fù)性。此外，由于這套系統(tǒng)是通過緩慢地移動霍爾探頭穿過移相器的輸入與輸出口來測量直流磁場分布，需要花費(fèi)大約三個小時(shí)來完成測量，而且受溫度影響的電源與測量設(shè)備對于評估條件(2)來說是必不可少的。因此，我們開發(fā)了反位線圈直流積分磁場測量系統(tǒng)，從而快速地，高精度地測量直流積分磁場。

圖5顯示了由反位線圈執(zhí)行直流積分磁場測量的原理圖。

圖 5.  使用反位線圈進(jìn)行直流磁場測量的原理

如圖5所示，當(dāng)一個線圈(匝數(shù) = N, 長度 = L, 寬度 = W)在直流磁場(B₀)內(nèi)轉(zhuǎn)動時(shí)，線圈內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電壓(V)，如下列方程所示：

Furthermore, when the induction voltage is integrated by the rotation time, integral magnetic field (B₀L) is solved by the following equation:

此外，當(dāng)使用轉(zhuǎn)動時(shí)間對感應(yīng)電壓進(jìn)行積分時(shí)，積分磁場(B₀L)可由如下的方程來求解：

Because this method performs the measurement within the flip coil rotation time, it is not affected by the temperature dependence in the power supplies and the measurement devices.

因?yàn)檫@種方法在反位線圈轉(zhuǎn)動時(shí)間內(nèi)執(zhí)行測量，所以不受對溫度依賴較大的電源與測量裝置的影響。

系統(tǒng)需求

反位線圈直流積分磁場測量系統(tǒng)必須滿足如下要求：

A.    控制線圈電流，使其具有充分的精度，穩(wěn)定性，以及重復(fù)性，從而產(chǎn)生一個盡可能接近零的積分磁場(理想值, 1 mA 或更低)。

B.    執(zhí)行數(shù)據(jù)采集時(shí)具有充分的精度，從而可以測量接近于零的積分磁場(理想值, 10 G cm 或更低)。

3. 在步進(jìn)馬達(dá)控制與積分磁場測量之間具有同步性與確定性，從而可以通過旋轉(zhuǎn)反位線圈來測量感應(yīng)電壓。
4. 賦予用戶創(chuàng)建與測試內(nèi)容相應(yīng)的控制程序的能力。

綜合考慮這些需求，我們選擇了NI LabVIEW實(shí)時(shí)模塊 與 NI PXI 系統(tǒng)來構(gòu)建反位線圈直流積分磁場測量系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6顯示了反位線圈直流積分磁場測量系統(tǒng)的外觀圖與框圖。

圖 6. 反位線圈直流積分磁場測量系統(tǒng)的外觀圖與框圖

反位線圈具有一個600 mm 乘 5 mm的玻璃鋼卷軸，纏繞了10圈直徑為0.2 mm的銅線。我們使用一個東方馬達(dá)(Oriental Motor)公司的RK566BE步進(jìn)馬達(dá)來轉(zhuǎn)動線圈，轉(zhuǎn)速為180度/0.5–1 s。我們使用歐姆龍公司的E6B2-CWZ6C增量式編碼器來測量線圈轉(zhuǎn)動角度。

我們使用NI PXI-6123同步采樣多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，NI PXI-6221 多功能M系列DAQ設(shè)備，NI PXI-6733 高速電壓輸出模塊，NI PXI-7330 運(yùn)動控制器，以及 NI PXI-8106 嵌入式控制器來構(gòu)建反位線圈控制系統(tǒng)。我們使用LabVIEW Real-Time中創(chuàng)建的VI來控制這些設(shè)備。

圖 7.  反位線圈控制器VI “控制反位線圈.vi”的前面板

對于控制過程來說，我們從PXI-6733傳送一個外部參考信號給電源。電源將與外部參考信號相應(yīng)的電流輸送到移相器。傳送給移相器的電流漲落波形應(yīng)該控制在每秒0.1 A以內(nèi)。當(dāng)移相器被直流電流激勵時(shí)，運(yùn)動控制器轉(zhuǎn)動反位線圈，通過兩個DAQ設(shè)備來同步(20 MHz)反位線圈轉(zhuǎn)動角度(編碼信號)與移相器直流磁場(反位線圈感應(yīng)電壓)，測量數(shù)據(jù)就可以被收集。因?yàn)榉次痪�圈感應(yīng)電壓很微弱，我們使用低噪聲的前置放大器來進(jìn)行放大。我們使用方程a 和 b將測量的感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)化成積分磁場。前面所涉及的控制過程都由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(OS)來執(zhí)行。圖7顯示了反位線圈控制器VI “控制反位線圈.vi” 的前面板。

結(jié)果

控制電流的PXI-6733可以輸出一個精度為0.3 mV的模擬信號，因此通過將此模擬信號輸入電源的外部參考信號端，流入移相器的電流就可以控制在0.3 mA的精度。這樣就充分實(shí)現(xiàn)了條件A。

PXI-6123具有一個16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它可以測量較小為±1.25 V的動態(tài)范圍，因而可以算得精度為2.5 V/216=40 μV。使用此DAQ模塊以及增益為20dB的低噪聲前置放大器，我們可以實(shí)現(xiàn)0.4 μV (40 μV/100)的精度。通過方程b將0.4 μV的精度轉(zhuǎn)換為積分磁場，得到的值為2 G x cm。這樣也就充分滿足了條件B對精度的要求。

因?yàn)殡妷狠敵瞿�塊與DAQ模塊兩者使用了相同的時(shí)鐘速率(20 MHz)，我們可以將移相器的電源與積分磁場測量同步，實(shí)現(xiàn)50 ns的精確度。此外，因?yàn)閮?nèi)置的PXI-8106控制器具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(OS)，控制程序不會被任何中斷所延遲，執(zhí)行的時(shí)間確定性為微秒級別。這一點(diǎn)充分滿足了條件C。

通過使用 LabVIEW 圖形化的編程與眾多功能，我們可以很容易地創(chuàng)建與測試內(nèi)容相應(yīng)的控制程序。例如，我們可以很容易地通過NI-DAQmx功能與誤差布線來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制器與兩個DAQ模塊之間的同步。此外，我們可以使用LabVIEW來很容易地創(chuàng)建鋸齒波形控制程序，從而在電流流入移相器的時(shí)候提高恒定時(shí)間間隔的電流值。這一

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