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歐洲 X 射線自由電子激光裝置的高精度、超高動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)控制

最近，在德國(guó)漢堡都會(huì)區(qū)正在建設(shè)具有開(kāi)拓性意義的歐洲 XFEL 設(shè)施。中心將于 2017 年開(kāi)幕，將容納歐洲 X 射線自由電子激光裝置，這臺(tái)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(dòng)技術(shù)用于定位共 91 個(gè)電子加速器專(zhuān)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(gè)總長(zhǎng)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(lái)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(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)。它將供來(lái)自世界各地的研究小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。目前，已有十一個(gè)國(guó)家建設(shè)該裝置：丹麥、德國(guó)、法國(guó)、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(diǎn)是，在超導(dǎo)加速器技術(shù)的推動(dòng)下每秒種 27,000 束 X 射線線束的超高重復(fù)率。線束的波長(zhǎng)為 0.05 至 6 納米，其長(zhǎng)度非常短，甚至可以看見(jiàn)原子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。由于持續(xù)時(shí)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(diǎn)是一個(gè) 1.7 公里長(zhǎng)的超導(dǎo)線性電子加速器。電子束被加速到一個(gè)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(shí)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(guò)波蕩器 — 特殊的磁鐵組件，它強(qiáng)制粒子通過(guò)一個(gè)嚴(yán)密的回旋過(guò)程。電子發(fā)射出 X 射線，射線因?yàn)楣馀c電子的交互而進(jìn)一步放大。由于光的傳播速度比電子快，光“追趕并超過(guò)”粒子，并會(huì)在這一過(guò)程中對(duì)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(pán)。盤(pán)內(nèi)的所有電子現(xiàn)在同步輻射，產(chǎn)生超短、強(qiáng)烈的 X 射線線束，這些線束具有類(lèi)似于激光的特性。

為了讓這個(gè)自放大自發(fā)輻射（SASE）的原理生效，波蕩器系統(tǒng)由多臺(tái)設(shè)備構(gòu)成，每臺(tái)設(shè)備都位于一個(gè)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(kāi)始將有 3 個(gè)波蕩器系統(tǒng) — SASE，1 和 2 各有 35 個(gè) 波蕩器單元，而 SASE 3 有 21 個(gè)單元。所有波蕩器系統(tǒng)加一起的總長(zhǎng)度為 555.1 米。

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

基于 PC 的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供精確的波蕩器控制

波蕩器由兩個(gè)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(zhǎng)。這使得驅(qū)動(dòng)控制要求很高，正如歐洲 XFEL 研究協(xié)會(huì)的 Suren Karabekyan 博士 所述的那樣：“兩臺(tái)伺服電機(jī)用來(lái)移動(dòng)兩個(gè)磁鐵結(jié)構(gòu)中的一個(gè)。控制過(guò)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(duì)我們即將進(jìn)行的頻譜光柵實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)是一個(gè)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?yàn)檫@保證了磁場(chǎng)強(qiáng)度的高再現(xiàn)性，因此，也確保了光子波長(zhǎng)的高再現(xiàn)性。其目的是為了使用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)滿足這些嚴(yán)苛的要求。在為期數(shù)月的評(píng)估階段，Beckhoff 基于 PC 的控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為理想的候選方案。”

集成有運(yùn)動(dòng)控制功能的高性能 TwinCAT 軟件具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)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(gè)單元的長(zhǎng)波蕩器系統(tǒng)的高同步性要求。SASE 段內(nèi)對(duì)波蕩器控制的要求也很?chē)?yán)格，這是因?yàn)閷?duì)即時(shí)測(cè)量光子能量進(jìn)行的使用需要最大限度地同步一個(gè)段內(nèi)的所有波蕩器的磁鐵結(jié)構(gòu)距離。一個(gè)典型的例子是新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)的‘雨之舞’項(xiàng)目，其中有 1200 多根的伺服軸通過(guò) TwinCAT 同步和控制。我們目前正致力于此，由倍福的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)提供專(zhuān)門(mén)的支持。”

每個(gè)波蕩器單元共有 4 個(gè) AM3052 伺服電機(jī) —— 通過(guò) 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(gè)電機(jī)）

大量波蕩器單元需要復(fù)雜的自動(dòng)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(guò)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(zhǎng)達(dá)數(shù)公里，因此必須使用光纖電纜。此外，每個(gè) SASE 段中的波蕩器單元通過(guò)菊花鏈形式的以太網(wǎng)互相鏈接。在每個(gè)波蕩器單元中，控制柜式 PC C6925 通過(guò) TwinCAT NC PTP 控制用于 4 個(gè) AM3052 伺服電機(jī)的 2 個(gè) AX5206 伺服驅(qū)動(dòng)器。工業(yè) PC 還控制三個(gè)步進(jìn)電機(jī) — 兩個(gè)用于四極動(dòng)子，一個(gè)用于移相器。移相器電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器同步運(yùn)行，并校正各個(gè)波蕩器單元之間電子和光子束的相位。針對(duì)所需的 I/O 數(shù)據(jù)，每個(gè)波蕩器單元提供 35 個(gè) 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(lái)說(shuō)，基于 PC 的控制解決方案由三臺(tái) 19 英寸抽拉式工業(yè) PC C5210、91 臺(tái)控制柜式 PC C6925、182 個(gè) AX5206 伺服驅(qū)動(dòng)器、364 個(gè) AM3052 伺服電機(jī)以及約 3200 個(gè) 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(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)：“無(wú)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(jì)算能力來(lái)處理一個(gè)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(shí)現(xiàn) STO 和 SS1 安全功能的 AX5206 伺服驅(qū)動(dòng)器的 TwinSAFE 選項(xiàng)卡 AX5801 提供的系統(tǒng)集成的安全技術(shù)具有更多優(yōu)點(diǎn)。這種高性能的控制和驅(qū)動(dòng)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(dòng)子，以確保精度達(dá)到微米。”Suren Karabekyan博士總結(jié)道：“EtherCAT 通訊是我們?cè)O(shè)施的關(guān)鍵部分。它讓我們能夠配置一個(gè)非常強(qiáng)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(gè)大型裝置中，如我們的設(shè)施。總體而言，這是一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，這一點(diǎn)在由公共研究資助研究項(xiàng)目的背景下特別重要。此外，我們總是隨時(shí)能夠從倍福專(zhuān)家那里得到最佳支持。”