反位線圈直流積分磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

 “通過(guò)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(cè)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(chǎng)測(cè)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(lái)創(chuàng)建一個(gè)反位線圈直流(DC)積分磁場(chǎng)測(cè)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?cè)谏涫�發(fā)生線中安裝了一個(gè)極化控制波蕩器來(lái)轉(zhuǎn)變同步加速輻射的極性(圖 2)。波蕩器是一種通過(guò)重復(fù)地彎曲電子束軌道來(lái)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(gè)產(chǎn)生水平極化的波蕩器與四個(gè)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(kāi)。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(lì)，會(huì)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)。當(dāng)電子束通過(guò)交變磁場(chǎng)，它沿著凸軌運(yùn)行。凸軌會(huì)在水平與垂直極化之間產(chǎn)生相位差。通過(guò)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(gè)條件，包括：

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

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

為了滿足這些條件，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一個(gè)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(duì)于移相器要求的性能評(píng)估，我們采用測(cè)量直流(DC)磁場(chǎng)的方式。在開(kāi)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(dòng)裝置組成的直流磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。

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

這套系統(tǒng)可以通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)裝置緩慢地將霍爾探頭伸入移相器來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)分布，并對(duì)移動(dòng)距離執(zhí)行積分。盡管如此，這并不足以來(lái)評(píng)估條件(1)，因?yàn)檫@套系統(tǒng)只對(duì)某個(gè)位置進(jìn)行數(shù)值測(cè)量來(lái)評(píng)估磁場(chǎng)的穩(wěn)定性與重復(fù)性。此外，由于這套系統(tǒng)是通過(guò)緩慢地移動(dòng)霍爾探頭穿過(guò)移相器的輸入與輸出口來(lái)測(cè)量直流磁場(chǎng)分布，需要花費(fèi)大約三個(gè)小時(shí)來(lái)完成測(cè)量，而且受溫度影響的電源與測(cè)量設(shè)備對(duì)于評(píng)估條件(2)來(lái)說(shuō)是必不可少的。因此，我們開(kāi)發(fā)了反位線圈直流積分磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，從而快速地，高精度地測(cè)量直流積分磁場(chǎng)。

圖5顯示了由反位線圈執(zhí)行直流積分磁場(chǎng)測(cè)量的原理圖。

圖 5.  使用反位線圈進(jìn)行直流磁場(chǎng)測(cè)量的原理

如圖5所示，當(dāng)一個(gè)線圈(匝數(shù) = N, 長(zhǎng)度 = L, 寬度 = W)在直流磁場(chǎng)(B₀)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈內(nèi)會(huì)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(dòng)時(shí)間對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行積分時(shí)，積分磁場(chǎng)(B₀L)可由如下的方程來(lái)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(dòng)時(shí)間內(nèi)執(zhí)行測(cè)量，所以不受對(duì)溫度依賴較大的電源與測(cè)量裝置的影響。

系統(tǒng)需求

反位線圈直流積分磁場(chǎng)測(cè)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(gè)盡可能接近零的積分磁場(chǎng)(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(cè)量接近于零的積分磁場(chǎng)(理想值, 10 G cm 或更低)。

3. 在步進(jìn)馬達(dá)控制與積分磁場(chǎng)測(cè)量之間具有同步性與確定性，從而可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)反位線圈來(lái)測(cè)量感應(yīng)電壓。
4. 賦予用戶創(chuàng)建與測(cè)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(lái)構(gòu)建反位線圈直流積分磁場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的外觀圖與框圖。

圖 6. 反位線圈直流積分磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的外觀圖與框圖

反位線圈具有一個(gè)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(gè)東方馬達(dá)(Oriental Motor)公司的RK566BE步進(jìn)馬達(dá)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)測(cè)量線圈轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)控制器，以及 NI PXI-8106 嵌入式控制器來(lái)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(lái)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(duì)于控制過(guò)程來(lái)說(shuō)，我們從PXI-6733傳送一個(gè)外部參考信號(hào)給電源。電源將與外部參考信號(hào)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(lì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器轉(zhuǎn)動(dòng)反位線圈，通過(guò)兩個(gè)DAQ設(shè)備來(lái)同步(20 MHz)反位線圈轉(zhuǎn)動(dòng)角度(編碼信號(hào))與移相器直流磁場(chǎng)(反位線圈感應(yīng)電壓)，測(cè)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(lái)進(jìn)行放大。我們使用方程a 和 b將測(cè)量的感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)化成積分磁場(chǎng)。前面所涉及的控制過(guò)程都由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(OS)來(lái)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(gè)精度為0.3 mV的模擬信號(hào)，因此通過(guò)將此模擬信號(hào)輸入電源的外部參考信號(hào)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(gè)16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它可以測(cè)量較小為±1.25 V的動(dòng)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(guò)方程b將0.4 μV的精度轉(zhuǎn)換為積分磁場(chǎng)，得到的值為2 G x cm。這樣也就充分滿足了條件B對(duì)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(chǎng)測(cè)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(huì)被任何中斷所延遲，執(zhí)行的時(shí)間確定性為微秒級(jí)別。這一點(diǎn)充分滿足了條件C。

通過(guò)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(cè)試內(nèi)容相應(yīng)的控制程序。例如，我們可以很容易地通過(guò)NI-DAQmx功能與誤差布線來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器與兩個(gè)DAQ模塊之間的同步。此外，我們可以使用LabVIEW來(lái)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