为​SPring-8​大规模​同步​电子​辐射​设施​构​建​基于​LabVIEW​和​PXI​的​相位​移位​器​诊断​系统

“我们​可以​使用​图形​化​编​程​和​LabVIEW​的​众多​函数​来​轻松​创建​与​测试​内容​匹配​的​控制​程序。”

- 东京​大学​物理​学​研究所,​轨道​放射​物理​学​研究​中心,​Ithu Pong

挑战:

构​建​系统​以​减少​执行​直流​积分​磁场​测量​所需​的​时间。

解决​方案:

使用​NI LabVIEW Real-​Time​模​块​和​NI PXI​硬件​构​建​旋转​螺栓​直流​磁场​积分​测量​系统。

作者:

Itoo Pong - 东京​大学​物理​学​研究所​轨道​放射​物理​学​研究​机构
​Ito Isao​先生 - 东京​大学​固态​物理​学院,​同步​电子​辐射​实验室

 

东京​大学​的​研究​人员​在​大规模​同步​电子​辐射​设施​SPring-8​中​构​建​了​高​强度​软​X​射线,​用于​先进​的​材料​科学​(图​1)。 

 

他们​在​波束​线上​安装​了​一个​极化​控制​的​波束​器,​以便​切换​同步​电子​辐射​的​极化​(图​2)。​波形​发生​器​是​一种​设备,​可​通过​反复​弯曲​电子​波束​轨道​来​生成​高​强度​同步​电子​辐射。

 

 

 

极化​控制​波形​发生​器​由​四​个​生成​水平​极化​的​波形​发生​器​和​四​个​生成​垂直​极化​的​波形​发生​器​组成。​波形​变频​器​的​位置​由​电磁​相​位移​量​转换​为​相互​交换​的​波形​变频​器。​相位​移位​器​包含​三​个​极化​电磁,​可​使​极​点​交替。​相位​移位​器​激励​时,​会​生成​周期性​交换​的​磁场。​当​电子​芯​片​经过​交替​的​磁场​时,​电子​芯​片​将​跟随​冲击​轨道。​该​冲击​轨道​生成​水平​极化​和​垂直​极化​之间​的​相位差。​通过​控制​该​相位差,​并​重叠​水平​和​垂直​极化,​可​生成​线性​极化​和​左/​右​圆​极化。

要​使用​极化​控制​波形​发生​器​生成​高​质量​的​同步​电子​辐射,​相位​移位​器​必须​满足​下列​条件:

  1. 相位​移位​器​的​磁场​应​具有​一致​稳定​的​输出,​以免​降低​同步​电子​辐射​的​质量,​并​使​整个​电子​波束​轨道​变形​或​波动。
  2. 通过​相位​移位​器​时,​电子​芯​片​产生​的​磁场​应​接近​零,​以便​电子​芯​片​的​轨道​在​冲击​轨道​之前​和​之后​不会​偏移​过​大。​也就是说,​从​相位​移位​器​的​输入​至​输出​的​磁场​积分​量​(下​文​称为​积分​磁场​[G・​cm])​应​尽可能​接近​零。

为了​满足​这些​条件,​我们​设计​并​制造​了​相位​移位​器​原型​(图​3)。 

 

 

为了​对​相位​移位​器​的​要求​进行​性能​评估,​我们​测量​了​直流​磁场。​在​基于​NI​硬件​和​软件​的​系统​开发​之前,​我们​使用​Hall​探​针​和​三维​运动​设备​构​建​的​直流​磁场​测量​系统​进行​测量​(图​4)。

 

 


该​系统​可​使用​三维​移动​设备​慢慢​将​霍​尔​探​针​移入​相位​移位​器,​并​执行​移动​距离​的​积分,​以便​测量​磁场​分布。​但是,​由于​该​系统​仅​对​一个​点​执行​值​测量,​以​评估​磁场​的​稳定​性​和​可​重复​性,​因此​不足​以​评估​条件​(1)。​此外,​由于​该​系统​通过​将​霍​尔​探​针​从​相位​移位​器​的​输入​端​慢慢​移​至​输出​端​来​测量​直流​磁场​分布,​所以​测量​需要​大约​3​小时,​而​电源​和​测量​设备​的​温度​依赖​性​对​评估​条件​(2)​不可或缺。​因此,​我们​开发​了​旋转​螺栓​直流​积分​磁场​测量​系统,​以​快速​且​高​精度​测量​直流​积分​磁场。

 

图​5​显示​了​旋转​螺栓​的​直流​积分​磁场​测量​的​主要​绘图。 

 

如​图​5​所​示,​当​螺栓​(旋转​数 = N,​长度 = L,​宽度 = W)​在​直流​磁场​(B0)​内​旋转​时,​螺栓​中​产生​的​电感​电压​(V)​如下​方程​所​示:

 

此外,​当​电感​电压​由​旋转​时间​积分​时,​积分​磁场​(B0L)​由​下列​公式​求解:

 

由于​该​方法​在​旋转​螺栓​的​时间​内​执行​测量,​因而​不受​电源​和​测量​设备​的​温度​依赖​关系​的​影响。

 

系统​要求

旋转​螺栓​直流​积分​磁场​测量​系统​需要​满足​下列​要求:

 

  1. 以​足够​的​分辨​率、​稳定​性​和​可​重复​性​控制​螺栓​电流,​以​尽可能​接近​零​的​积分​磁场​(理想​情况​下,​1 mA​或​更低)。
  2. 采用​足够​的​分辨​率​进行​数据​采集,​以便​尽可能​接近​零​的​积分​磁场​(理想​情况​下,​10 G cm​或​更​小)。
  3. 在​步​进​电机​旋转​控制​和​积分​磁场​测量​之间​实现​同步​和​确定​性,​以​通过​旋转​旋转​线圈​来​测量​电感​电压。
  4. 使​用户​能够​根据​测试​内容​创建​控制​程序。

 

考虑​到​这些​要求,​我们​选择​了​NI LabVIEW Real-​Time​模块和​NI PXI系统​来​构​建​旋转​螺栓​直流​积分​磁场​测量​系统。

 

 

系统​结构

图​6​显示​了​旋转​螺栓​直流​积分​磁场​测量​系统​的​外部​视图​和​程序​框​图。

 

 

弹簧​线圈​包含​一个​600​毫米 × 5​毫米​的​焊​片,​用​直径​为​0.2​毫米​的​銅​线​焊接​10​次。​我们​使用​Oriental Motor RK566BE​步​进​电机​旋转​螺栓。​旋转​速度​为​每​0.5–​1​秒​180​度。​我们​使用​Omron E6B2-​CWZ6C​增量​编码​器​测量​螺栓​旋转​角。

 

我们​使用​NI PXI-6123​同步​采样​多功能​数据​采集​(DAQ)​设备、​NI PXI-6221​多功能​M​系列​DAQ​设备、​NI PXI-6733​高速​电压​输出​模​块、​NI PXI-7330​运动​控制器​和​NI PXI-8106​嵌入式​控制器​构​建​旋转​螺栓​控制​系统。​我们​使用​在​LabVIEW Real-​Time​中​创建​的​VI​来​控制​这些​设备。

 

在​控制​过程​中,​我们​从​PXI-6733​发送​外部​参考​信号​至​电源。​电源​将​相应​的​外部​参考​信号​传递​至​相位​移位​器。​发送​至​相位​移位​器​的​电流​在​每秒​0.1 A​的​梯度​控制​中​上升​或​下降。​当​相位​移位​器​受到​直流​电流​激励​时,​运动​控制器​将​旋转​旋转​螺栓,​并​通过​与​两​个​DAQ​设备​同步​(20 MHz)​旋转​螺栓​角​(编码​器​信号)​和​相位​移位​器​直流​磁场​(旋转​螺栓​电压)​来​采集​测量​结果。​由于​抖动​螺栓​脉冲​电压​较​低,​我们​使用​低​噪声​前​置​放大器​来​放大​电压。​我们​使用​方程​a​和​b​将​测量​的​电感​电压​转换​为​积分​磁场。​上述​控制​程序​在​实​时​操作​系统​上​执行。​图​7​显示​了​反转​螺栓​控制器​VI“Control Flip Coil.vi”的​前​面板。

 

成果

控制​电流​的​PXI-6733​可​输出​具有​0.3 mV​分辨​率​的​模拟​信号,​因此,​通过​将​模拟​信号​输入​到​电源​的​外部​参考​信号​接​线​端,​可​使用​0.3 mA​分辨​率​控制​向​相位​移位​器​传递​的​电流。​这​足以​满足​要求​A。

 

PXI-6123​具有​16​位​模数​转换​器​(ADC),​最小​动态​范围​为​±1.25 V,​因此​分辨​率​为​2.5 V/​216=40 μV。​使用​该​DAQ​模​块​和​20dB​增益​的​低​噪声​前​置​放大器,​我们​可以​实现​0.4 μV​分辨​率​(40 μV/​100)。​使用​方程​b​将​0.4 μV​分辨​率​转换​为​积分​磁场,​将​其​变为​2 G x cm。​这​足以​满足​分辨​率​要求​B。

 

由于​电压​输出​模​块​和​DAQ​模​块​使用​相同​的​时钟​速度​(20 MHz),​我们​可以​以​50 ns​的​精度​同步​相位​移位​器​的​电源​和​积分​磁场​测量。​另外,​由于​内​置​PXI-8106​控制器​具有​实​时​操作​系统,​控制​程序​不会​因​任何​中断​而​延迟,​且​在​时间​确定​性的​微秒​级别​内​执行。​这​足以​满足​要求​C。

 

我们​可以​使用​图形​化​编​程和LabVIEW的​大量​函数,​轻松​创建​与​测试​内容​匹配​的​控制​程序。​例如,​我们​使用​NI-​DAQmx​函数​和​错误​连​线,​轻松​实现​运动​控制器​和​两​个​DAQ​模​块​之间​的​同步。​此外,​我们​还​使用​LabVIEW​轻松​创建​平台​控制​程序,​当​电流​流入​相位​移位​器​时,​该​程序​可在​一定​时间​间隔​上升​电流。​该​要求​已​足够​满足​D。

 

 

安装​结果

图​8(左)​显示​了​仅​由​相位​移位​器​的​中央​磁体​生成​约​640 G DC​积分​磁场​时​的​旋转​螺栓​导​电​电压。​旋转​线圈​以​180​度/​0.8​秒​的​速度​反​时钟​旋转。​图​8(右侧)​显示​了​由​旋转​速度​整合​的​电感​电压。​重复​测量​5​次,​得出​平均值​的​标准​差​为​0.12230±0.00004 V・​s。​由于​N = 10,​W = 5.2 mm,​方程​b​的​直流​积分​磁场​为​10888±4 G・​cm。

 

借助​LabVIEW​和​NI PXI​系统​构​建​的​旋转​螺栓​直流​积分​磁场​测量​系统,​实现​了​具备​0.3 mA​分辨​率​的​电流​槽​控制​及​2 G x cm​分辨​率​的​积分​磁场​测量。​这​便​可以​在​不到​一秒​内​进行​直流​积分​磁场​测量,​而​此​前​的​测量​时间​约​为​三​小时。​现在,​我们​可以​使用​该​旋转​螺栓​直流​积分​磁场​测量​系统,​以​实用​的​稳定​性​和​可​重复​性​来​实现​评估​测试。

 

图​1. ​ ​用于​材料​科学​的​高​强度​软​X​射​波束​线​的​概述 ​
图​2. ​ ​极化​控制​放大器​的​主​值 ​
图​3. ​ ​原型​相位​移位​器​的​外部​视图​和​程序​框​图 ​
图​4. ​ ​使用​厅​探​针​和​三维​运动​设备​的​直流​积分​测量​系统 ​
图​5. ​ ​使用​旋转​螺栓​进行​直流​磁场​测量​的​主题 ​
图​6. ​ ​旋转​螺栓​直流​积分​磁场​测量​系统​的​外部​视图​和​程序​框​图 ​
a.
b.
图​7. ​ ​Flip Coil Controller VI“Control Flip Coil.vi”前​面板 ​
图​8. ​ ​旋转​螺栓​的​电感​电压 ​