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歐洲 X 射線自由電子激光裝置的高精度、超高動態(tài)驅(qū)動控制

最近，在德國漢堡都會區(qū)正在建設(shè)具有開拓性意義的歐洲 XFEL 設(shè)施。中心將于 2017 年開幕，將容納歐洲 X 射線自由電子激光裝置，這臺裝置能夠衍射超短 X 射線線束 — 每秒 27,000 次 — 且亮度比目前傳統(tǒng)的 X 射線輻射源高出十億倍。Beckhoff 基于 PC 的控制和驅(qū)動技術(shù)用于定位共 91 個電子加速器專用的高精度磁鐵組件（波蕩器）。

歐洲 X 射線自由電子激光裝置安裝在一個總長為 3.4 公里的設(shè)施中，該設(shè)施大部分位于地下隧道

歐洲 XFEL 助理研究員 Suren Karabekyan 博士（左） 向來自倍福呂貝克分公司的 Nils Burandt 解釋波蕩器更細(xì)微的物理結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

通過其像激光一樣的 X 射線線束，歐洲 X 射線自由電子激光裝置開辟了全新的研究領(lǐng)域，從而能夠?qū)崿F(xiàn)諸如納米三維圖像等功能，破譯病毒和細(xì)胞的原子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并檢查超快速的化學(xué)反應(yīng)。該設(shè)施總長為 3.4 公里，大部分位于地下隧道，并將由漢堡的歐洲 XFEL 研究機構(gòu)獨立運營。它將供來自世界各地的研究小組進行實驗研究。目前，已有十一個國家建設(shè)該裝置：丹麥、德國、法國、意大利、波蘭、俄羅斯、瑞典、瑞士、斯洛伐克、西班牙和匈牙利。

歐洲 X 射線自由電子激光裝置的特點是，在超導(dǎo)加速器技術(shù)的推動下每秒種 27,000 束 X 射線線束的超高重復(fù)率。線束的波長為 0.05 至 6 納米，其長度非常短，甚至可以看見原子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。由于持續(xù)時間不到 100 飛秒（1 飛秒 = 10-15 秒），它甚至可以記錄分子或磁化反轉(zhuǎn)是如何形成的。激光的特性將使得在原子層三維成像成為可能。

被加速電子的 X 射線線束

X 射線線束形成的起始點是一個 1.7 公里長的超導(dǎo)線性電子加速器。電子束被加速到一個接近光速的高能量狀態(tài)。加速度在被稱為“諧振器”的特殊形狀的空腔中發(fā)生。這一切可以實現(xiàn)超導(dǎo)，并衍射出 X 射線激光裝置所需的一束非常窄且均勻的電子束。

被加速的電子全速通過波蕩器 — 特殊的磁鐵組件，它強制粒子通過一個嚴(yán)密的回旋過程。電子發(fā)射出 X 射線，射線因為光與電子的交互而進一步放大。由于光的傳播速度比電子快，光“追趕并超過”粒子，并會在這一過程中對它們產(chǎn)生影響。其中一些電子被加速，另外一些則被減速，因此，這些電子構(gòu)成了大量薄盤。盤內(nèi)的所有電子現(xiàn)在同步輻射，產(chǎn)生超短、強烈的 X 射線線束，這些線束具有類似于激光的特性。

為了讓這個自放大自發(fā)輻射（SASE）的原理生效，波蕩器系統(tǒng)由多臺設(shè)備構(gòu)成，每臺設(shè)備都位于一個扇形陣列式加速器的后面。歐洲 X 射線自由電子激光裝置一開始將有 3 個波蕩器系統(tǒng) — SASE，1 和 2 各有 35 個 波蕩器單元，而 SASE 3 有 21 個單元。所有波蕩器系統(tǒng)加一起的總長度為 555.1 米。

91 個波蕩器單元的每一個都由 基于 PC 的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由一臺控制柜式 PC C6925（右）大量 EtherCAT 端子模塊（中間）以及 2 個AX5206 伺服驅(qū)動器（左）構(gòu)成

基于 PC 的運動控制系統(tǒng)提供精確的波蕩器控制

波蕩器由兩個磁結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且兩者之間的距離 — 被加速的電子的恒定能量 — 最終決定了激光的波長。這使得驅(qū)動控制要求很高，正如歐洲 XFEL 研究協(xié)會的 Suren Karabekyan 博士 所述的那樣：“兩臺伺服電機用來移動兩個磁鐵結(jié)構(gòu)中的一個。控制過程必須高度同步，以避免電子和光子束之間出現(xiàn)相移。這對我們即將進行的頻譜光柵實驗來說是一個關(guān)鍵的要求，順序誤差必須小于 1 微米。此外，必須確保磁鐵結(jié)構(gòu)距離方面的可重復(fù)性為 ± 1 微米，因為這保證了磁場強度的高再現(xiàn)性，因此，也確保了光子波長的高再現(xiàn)性。其目的是為了使用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)自動化系統(tǒng)滿足這些嚴(yán)苛的要求。在為期數(shù)月的評估階段，Beckhoff 基于 PC 的控制和驅(qū)動技術(shù)成為理想的候選方案。”

集成有運動控制功能的高性能 TwinCAT 軟件具有很多優(yōu)點，正如 Suren Karabekyan 博士下面所解釋的：“借助 TwinCAT 能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)的驅(qū)動控制系統(tǒng)，有可能與多根軸完全同步。甚至可以滿足我們的最多具有 35 個單元的長波蕩器系統(tǒng)的高同步性要求。SASE 段內(nèi)對波蕩器控制的要求也很嚴(yán)格，這是因為對即時測量光子能量進行的使用需要最大限度地同步一個段內(nèi)的所有波蕩器的磁鐵結(jié)構(gòu)距離。一個典型的例子是新加坡樟宜機場的‘雨之舞’項目，其中有 1200 多根的伺服軸通過 TwinCAT 同步和控制。我們目前正致力于此，由倍福的專家團隊提供專門的支持。”

每個波蕩器單元共有 4 個 AM3052 伺服電機 —— 通過 TwinCAT NC PTP 控制 — 確保磁鐵結(jié)構(gòu)精確定位。（圖片顯示的是上面磁鐵結(jié)構(gòu)的兩個電機）

大量波蕩器單元需要復(fù)雜的自動化系統(tǒng)

SASE 波蕩器段使用 19 寸抽拉式工業(yè) PC C5210 控制。它們通過具有電纜冗余的 EtherCAT 環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)。由于隧道長達數(shù)公里，因此必須使用光纖電纜。此外，每個 SASE 段中的波蕩器單元通過菊花鏈形式的以太網(wǎng)互相鏈接。在每個波蕩器單元中，控制柜式 PC C6925 通過 TwinCAT NC PTP 控制用于 4 個 AM3052 伺服電機的 2 個 AX5206 伺服驅(qū)動器。工業(yè) PC 還控制三個步進電機 — 兩個用于四極動子，一個用于移相器。移相器電機與伺服驅(qū)動器同步運行，并校正各個波蕩器單元之間電子和光子束的相位。針對所需的 I/O 數(shù)據(jù)，每個波蕩器單元提供 35 個 EtherCAT 端子模塊，模擬量和數(shù)字量 I/O、以及脈沖、編碼器和橋接端子模塊。總體來說，基于 PC 的控制解決方案由三臺 19 英寸抽拉式工業(yè) PC C5210、91 臺控制柜式 PC C6925、182 個 AX5206 伺服驅(qū)動器、364 個 AM3052 伺服電機以及約 3200 個 EtherCAT 端子模塊構(gòu)成。

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波蕩器部分控制系統(tǒng)的配置

據(jù) Suren Karabekyann博士介紹，其結(jié)果是為 91 波蕩器單元構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大的控制系統(tǒng)：“無風(fēng)扇型控制柜式 PC C6925 非常緊湊。這是我們能找到的具有足夠的計算能力來處理一個波蕩器單元內(nèi)所有控制任務(wù)的最小單元。這些操作包括用于控制磁鐵結(jié)構(gòu)的主從軸之間的高精度同步，以及在磁鐵距離變化方面移相器的精確同步。用于實現(xiàn) STO 和 SS1 安全功能的 AX5206 伺服驅(qū)動器的 TwinSAFE 選項卡 AX5801 提供的系統(tǒng)集成的安全技術(shù)具有更多優(yōu)點。這種高性能的控制和驅(qū)動技術(shù)能夠定位重量較重的組件，如具有高磁力（約 100000 N = 10 噸）的波蕩器磁鐵結(jié)構(gòu)，或重約 60 公斤的四極動子，以確保精度達到微米。”Suren Karabekyan博士總結(jié)道：“EtherCAT 通訊是我們設(shè)施的關(guān)鍵部分。它讓我們能夠配置一個非常強大和可靠的具有冗余環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，即使在一個大型裝置中，如我們的設(shè)施。總體而言，這是一個經(jīng)濟高效的解決方案，這一點在由公共研究資助研究項目的背景下特別重要。此外，我們總是隨時能夠從倍福專家那里得到最佳支持。”