大型​放射光​施設​SPring-8​用​に​LabVIEW​および​PXI​ベース​の​移​相​器​診断​システム​を​構築​する

「LabVIEW​の​グラフィカル​プログラミング​と​豊富​な​関数​を​利用​し​て、​テスト​内容​に​合わせ​た​制御​プログラム​を​簡単​に​作成​でき​ます。」

- 伊藤 功 氏、​東京​大学​物性​研究所 軌道​放射​物性​研究​施設

課題:

直流​積分​磁場​測定​に​要する​時間​を​短縮​する​システム​を​構築​する。

ソリューション:

NI LabVIEW Real-​Time​モジュール​と​NI PXI​ハードウェア​を​使用​し​て、​フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​を​構築​し​ます。

投稿​者:

伊藤 功 氏 - 東京​大学​物性​研究所 軌道​放射​物性​研究​施設
​(Mr. Ito Isao - Synchrotron Radiation Laboratory, Institute of Solid State Physics, University of Tokyo)

 

東京​大学​の​研究者​は、​大型​放射光​施設​SPring-8​で​最先端​の​物質​科学​の​ため​の​高​輝度​軟​X​線​ビーム​ライン​を​構築​しま​した (図​1)。 

 

ビーム​ライン​に​偏光​制御​アンジュレータ​を​設置​し、​放射光​の​偏光​の​切り替え​を​実現​しま​した (図​2)。​アンジュレータ​と​は、​電子​ビーム​の​軌道​を​繰り返し​曲げる​こと​で、​高​輝度​の​放射光​を​発生​させる​装置​です。

 

 

 

偏光​制御​アンジュレータ​は、​水平​偏光​を​発生​する​アンジュレータ​4​台​と、​垂直​偏光​を​発生​する​アンジュレータ​4​台​で​構成​さ​れ​てい​ます。​アンジュレータ​は、​電磁石​型​移​相​器​を​挟​んで​交互​に​配置​さ​れ​てい​ます。​移​相​器​に​は、​3​つ​の​偏光​電磁石​が、​磁極​が​交互​に​反転​する​よう​に​並​べら​れ​てい​ます。​移​相​器​を​励磁​すると、​周期​的​に​入れ替わる​交番​磁場​が​発生​し​ます。​電子​ビーム​が​交番​磁場​を​通過​する​際​は、​バンプ​軌道​を​た​ど​り​ます。​この​バンプ​軌道​では、​水平​偏光​と​垂直​偏光​の​間​に​位​相差​が​生​じ​ます。​この​位​相差​を​制御​し、​水平​偏光​と​垂直​偏光​を​重ね​合わせる​こと​で、​直線​偏光​と​左右​円​偏光​を​発生​させる​こと​が​でき​ます。

偏光​制御​アンジュレータ​で​高​品質​の​放射光​を​生成​する​に​は、​移​相​器​が​次​の​条件​を​満たす​必要​が​あり​ます。

  1. 移​相​器​の​磁場​は、​放射光​の​品質​を​低下​さ​せ​たり、​電子​ビーム​の​軌道​全体​に​歪み​や​変動​を​与える​こと​が​ない​よう​に、​常時​安定​した​出力​を​実行​し​ます。
  2. 電子​ビーム​の​軌道​が​バンプ​軌道​の​前後​で​大​きく​ずれ​ない​よう​に、​移​相​器​を​通過​する​間​に​電子​ビーム​に​かかる​磁場​を​ゼ​ロ​に​近く​する​こと​が​必要​です。​つまり、​移​相​器​の​入力​から​出力​まで​の​磁場​の​積分​量 (積分​磁場​[G・​cm]) を、​可能​な​限り​ゼ​ロ​に​近​づ​け​ます。

これらの​条件​を​満たす​ため​に、​移​相​器​の​プロトタイプ​の​設計​と​製作​を​行​って​き​ま​した (図​3)。 

 

 

この​移​相​器​に​求め​られる​性能​評価​を​行う​ため、​直流​磁場​を​測定​し​てい​ます。​NI​の​ハードウェア​と​ソフトウェア​に​基​づ​い​て​システム​を​開発​する​前​に、​ホールプローブ​と​3​次元​ムーバ​で​構成​さ​れ​た​直流​磁場​測定​システム​で​測定​を​実行​しま​した (図​4)。

 

 


この​システム​は、​3​次元​ムーバ​を​使用​し​て​ホールプローブ​を​移​相​器​内​に​少し​ずつ​入れ​てい​き​ながら​磁場​分布​を​測定​し、​移動​距離​の​積分​を​実行​し​ます。​しかし、​この​システム​は、​磁場​の​安定性​と​再現​性​の​評価​に​移​相​器​中​の​一点​のみ​の​値​を​測定​する​こと​しか​でき​ない​ため、​条件 (1) を​評価​する​に​は​不十分​で​した。​さらに、​この​システム​では、​ホールプローブ​を​移​相​器​の​入力​から​出力​まで​少し​ずつ​動​かし​ながら​直流​磁場​分布​を​測定​する​ため、​測定​に​3​時間​程度​の​時間​が​かかり、​条件​(2)​の​評価​において​電源​や​計測​デバイス​の​温度​依存性​の​影響​が​無視​でき​なく​なり​ます。​そこで、​高速​かつ​高​精度​に​直流​積分​磁場​を​測定​可能​な​フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​を​開発​しま​した。 ​

 

図​5​は、​フリップ​コイル​による​直流​積分​磁場​測定​の​主要​図​を​示し​ます。 

 

図​5​に​示す​よう​に、​コイル (巻き​数​=​N、​長​さ​=​L、​幅​=​W) が​直流​磁場 (B0) 内​で​回転​すると、​次​の​式​の​よう​に​コイル​に​誘導​電圧 (V) が​発生​し​ます。

 

さらに、​誘​起​電圧​を​回転​時間​で​積分​する​場合、​積分​磁場 (B0L) は​次​の​式​で​求め​ら​れ​ます。

 

この​方法​では、​フリップ​コイル​の​回転​時間​内​に​測定​を​実行​する​ため、​電源​や​計測​デバイス​の​温度​依存性​の​影響​を​受け​ま​せん。

 

システム​要件

フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​に​は、​次​の​要件​が​必要​で​した。

 

  1. 可能​な​限り​ゼ​ロ​に​近い​積分​磁場 (理想​的​に​は​1 mA​以下) を​発生​させる​ため、​十分​な​分解能、​安定性、​および​再現​性​で​コイル​電流​を​制御​する。
  2. 可能​な​限り​ゼ​ロ​に​近い​積分​磁場 (理想​的​に​は​10 G cm​以下) を​測定​する​ため、​十分​な​分解能​で​データ​収集​を​実行​する。
  3. フリップ​コイル​を​回転​さ​せ​ながら​誘導​電圧​を​測定​する​ため​に、​ステ​ッ​ピン​グ​モータ​の​回転​制御​と​積分​磁場​の​測定​の​間​に​同期​性​と​確定​性​が​ある。
  4. テスト​内容​に​合わせ​て​ユーザ​が​制御​プログラム​を​作成​できる。

 

これらの​要件​を​考慮​し​て、​NI LabVIEW Real-​Time​モジュールと​NI PXIシステム​を​選択​し、​フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​を​構築​しま​した。

 

 

システム​構成

​図​6​は、​フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​の​外観​と​ブロック​図​を​示し​ます。

 

 

フリップ​コイル​は、​600 mm x 5 mm​の​ガラ​スエ​ポ​キシ​の​ボビン​に、​直径​0.2 mm​の​銅線​を​10​回​巻​い​た​もの​です。​コイル​の​回転​に​は、​オリエンタル​モーター​製​ステ​ッ​ピン​グ​モータ (RK566BE) を​使用​し​てい​ます。​回転​速度​は​0.5​~​1​秒​ごと​に​180​度​です。​オム​ロン​製​インク​リ​メンタル​エンコーダ (E6B2-​CWZ6C) を​使用​し​て、​コイル​の​回転​角度​を​測定​し​ます。

 

フリップ​コイル​制御​システム​は、​NI PXI-6123​同時​サンプリング​マルチ​ファンクション​データ​収集 (DAQ) デバイス、​NI PXI-6221​マルチ​ファンクション​M​シリーズ​DAQ​デバイス、​NI PXI-6733​高速​電圧​出力​モジュール、​NI PXI-7330​モーション​コントローラ、​および​NI PXI-8106​組​込​コントローラ​で​構成​さ​れ​てい​ます。​これらの​デバイス​は、​LabVIEW Real-​Time​で​作成​した​VI​を​使用​し​て​制御​さ​れ​ます。

 

制御​の​手順​として、​PXI-6733​から​電源​に​外部​基準​信号​を​送信​し​ます。​電源​は、​外部​基準​信号​に​対応​する​電流​を​移​相​器​に​流し​ます。​移​相​器​に​送​られる​電流​は、​毎秒​0.1 A​ずつ​の​ランプ​制御​で​増減​さ​れ​ます。​直流​電流​によって​移​相​器​が​励磁​さ​れ​る​と、​モーションコントローラがフリップコイルを回転させ、​フリップ​コイル​の​回転​角度 ​(エンコーダ​信号) ​と​移​相​器​の​直流​磁場 ​(フリップ​コイル​誘導​電圧) ​を​​2​つ​の​DAQ​デバイス​で​同期​ (20 MHz)​ を​取り​ながら​計測​し​ます。​フリップ​コイル​の​誘導​電圧​は​微弱​な​ため、​低​ノイズプリアンプ​で​増幅​し​てい​ます。​式​a​と​b​を​使用​し​て、​測定​さ​れ​た​誘導​電圧​を​積分​磁場​に​変換​し​ます。​以上​の​制御​手順​は、​リアルタイム​OS​上​で​実行​さ​れ​ます。​図​7​は、​「フリップ​コイル​制御」​VI (Control Flip Coil.vi) の​フロント​パネル​を​示し​てい​ます。

 

結果

電流​を​制御​する​PXI-6733​は​0.3 mV​の​分解能​で​アナログ​信号​を​出力​できる​ため、​この​アナログ​信号​を​電源​の​外部​基準​信号​端子​に​入力​する​こと​で、​移​相​器​に​流れる​電流​を​0.3 mA​の​分解能​で​制御​でき​ます。​これ​は​要件​A​を​十分​に​満​た​し​てい​ます。

 

PXI-6123​に​は​16 ビット​の​A/​D​変換​器 (ADC) が​あり、​最小​±1.25 V​の​ダイナミック​レンジ​で​測定​できる​ため、​分解能​は​2.5 V/​216=40 μV​です。​この​DAQ​モジュール​と​20 dB​の​ゲイ​ン​を​持つ​低​ノイズプリアンプ​を​使用​すると、​0.4 μV​の​分解能 (40 μV/​100) を​実現​でき​ます。​0.4 μV​の​分解能​を​式​b​を​使用​し​て​積分​磁場​に​変換​すると、​2 G x cm​に​なり​ます。​これ​は​要件​B​の​分解能​を​十分​に​満​た​し​てい​ます。

 

電圧​出力​モジュール​と​DAQ​モジュール​の​両方​が​同じ​クロック​速度 (20 MHz) を​使用​する​ため、​移​相​器​の​電源​と​積分​磁場​の​計測​を​50 ns​の​精度​で​同期​でき​ます。​また、​組​込​PXI-8106​コントローラ​に​は​リアルタイム​OS​が​搭載​さ​れ​て​いる​ため、​制御​プログラム​は​割り込み​など​で​中断​さ​れる​こと​が​なく、​マイクロ​秒​レベル​の​時間​確定​性​で​実行​さ​れ​ます。​これ​は​要件​C​を​十分​に​満​た​し​てい​ます。

 

LabVIEWの​グラフィカル​プログラミング​と​豊富​な​関数​を​利用​し​て、​テスト​内容​に​合わせ​た​制御​プログラム​を​簡単​に​作成​でき​ます。​たとえば、​NI-​DAQmx​関数​と​エラー​配線​を​使用​し​て、​モーション​コントローラ​と​2​つ​の​DAQ​モジュール​間​の​同期​を​容易​に​実現​でき​ま​した。​さらに、​移​相​器​に​電流​を​流す​場合​に​一定​時間​間隔​で​電流​を​上げる​ランプ​制御​プログラム​を​、​LabVIEW を​使用​し​て​簡単​に​作成​しま​した。​これ​は​要件​D​を​十分​に​満​た​し​てい​ます。

 

 

導入​の​効果

図​8 (左) は、​移​相​器​の​中央​の​磁石​のみ​で​約​640 G​の​直流​積分​磁場​を​発生​さ​せ​た​場合​の​フリップ​コイル​誘導​電圧​を​示し​てい​ます。​フリップ​コイル​は、​180​度/​0.8​秒​の​速度​で​反​時計​回り​に​回転​し​ます。​図​8 (右) は、​回転​速度​で​積分​した​誘導​電圧​を​示し​てい​ます。​この​測定​を​5​回​繰り返し​て​平均​値​の​標準偏差​を​求め​た​結果​は、​0.12230±0.00004V・​s​となり​ま​した。​N = 10、​W = 5.2 mm​で​ある​ため、​式​b​から​直流​積分​磁場​は​10888±4 G・​cm​となり​ます。

 

LabVIEW​と​NI PXI​システム​で​構築​さ​れ​た​フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​は、​0.3 mA​の​分解能​の​電流​ランプ​制御​と、​2 G x cm​分解能​の​積分​磁場​測定​を​実現​しま​した。​これ​により、​従来​は​約​3​時間​か​かって​い​た​直流​積分​磁場​測定​を​1​秒​以下​で​実行​する​こと​が​可能​に​なり​ま​した。​この​フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​によって、​実用​的​な​安定性​と​再現​性​を​持​っ​た​評価​試験​が​実現​できる​よう​に​なり​ま​した。

 

図​1. ​ ​物質​科学​用​高​輝度​軟​X​線​ビーム​ライン​の​全体​図​ ​
図​2. ​ ​偏光​制御​アンジュレータ​の​原理​ ​
図​3. ​ ​移​相​器​の​プロトタイプ​の​外観​と​図面​ ​
図​4. ​ ​ホールプローブ​と​3​次元​ムーバ​による​直流​積分​磁場​測定​システム ​
図​5. ​ ​フリップ​コイル​を​使用​する​直流​積分​磁場​測定​の​原理 ​
図​6. ​ ​フリップ​コイル​直流​積分​磁場​測定​システム​の​外観​と​ブロック​図​ ​
a.
b.
図​7. ​ ​「フリップ​コイル​制御」​VI (Control Flip Coil.vi) の​フロント​パネル​ ​
図​8. ​ ​フリップ​コイル​の​誘導​電圧 ​