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

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。

我们使用同步采样NI PXI多功能数据采集(DAQ)模块、附加的PXI多功能模块、NI PXI高速电压输出模块、运动控制器和NI嵌入式PXI控制器来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，我们从高速电压输出模块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。

结果

控制电流的高速电压输出模块可输出具有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。

同步采样DAQ模块具有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20 dB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。