基于 LabVIEW 与 PXI 的同步电子辐射装置相位调节器诊断系统构建
——作者：Ito Isao
日本东京大学固体物理研究所同步辐射实验室的研究人员，为大型同步辐射装置 SPring-8 构建了一条高强度软 X 射线光束线，用于尖端材料科学研究（见图1）。
图1. 高强度软 X 射线材料科学光束线整体布局图
他们在光束线上安装了一个偏振控制波荡器（Polarization-Controlled Undulator），用于切换同步辐射光的偏振状态（见图2）。波荡器是一种通过反复弯曲电子束轨道产生高强度同步辐射的装置。
图2. 偏振控制波荡器原理图
l 偏振控制波荡器结构与工作原理
该偏振控制波荡器由四个产生水平偏振的波荡器和四个产生垂直偏振的波荡器组成，交替排列。波荡器之间配置了三个极化电磁铁相位调节器。相位调节器通电后，会产生周期交替的磁场。当电子束通过交替磁场时，会形成偏转轨道（bump orbit），由此产生垂直与水平偏振间的相位差。通过调整这些相位差并叠加不同偏振方向的辐射，即可生成线偏振光和左右手圆偏振光。
为确保波荡器能输出高质量的同步辐射，相位调节器必须满足以下条件：
- 输出磁场需始终保持稳定，避免对电子束轨道产生扰动；
- 通过相位调节器后电子束轨道偏移应尽可能接近零，即磁场从输入到输出的积分量（单位 G·cm）应尽可能为零。
图3. 相位调节器原型外观及结构图
l 直流磁场积分测量系统设计
为验证相位调节器性能，团队首先使用霍尔探头和三维移动装置构建了一套直流磁场积分测量系统（见图4），并进行了磁场测量。
图4. 基于霍尔探头与三维移动装置的直流磁场积分测量系统
该系统通过缓慢移动霍尔探头穿越相位调节器，测得磁场分布，并对积分结果进行计算。但由于测量值仅对应一个位置，不能充分评估磁场稳定性和重复性；且每次测量约需三小时，因此开发了一种翻转线圈式的直流磁场积分测量系统（见图5）。
图5. 基于翻转线圈的直流磁场积分测量原理图
在该系统中，当线圈（匝数 N，长度 L，宽度 W）在直流磁场 B₀ 中旋转时，会在线圈中感应出电压 V(t)，其数学关系为：
由于此法在一次翻转过程中完成测量，因此不会受到电源与测量设备温漂的影响。
l 系统需求与架构设计
该翻转线圈系统对性能有以下要求：
- 线圈电流控制需具备足够的分辨率与稳定性（目标电流 ≤1 mA）；
- 积分磁场测量精度目标为 10 G·cm；
- 电机旋转与测量同步控制需精准；
- 控制程序需可灵活配置测试流程。
团队选择 NI LabVIEW 实时模块与 PXI 系统，构建了该测量系统。系统架构如图6所示。
图6. 翻转线圈积分磁场测量系统外观与结构图
系统中翻转线圈由玻璃环绕绕制，10 匝，铜线直径为 0.2 mm。旋转由 Oriental Motor RK566BE 步进电机实现，速度 180°/0.5~1 s。角度测量使用 Omron E6B2-CWZ6C 编码器。
数据采集与控制设备包括：
- NI PXI-6123（16位ADC，分辨率40 μV）（可用PXIe-63xx替代）
- NI PXI-6733（高速电压输出模块）（可用PXIe-4322）
- NI PXI-8106（嵌入式控制器）（可用PXIe-88xx系列替代）
- NI PXI-7330（运动控制模块）（可用R系列替代）
系统利用同步20 MHz时钟，实现翻转动作与电压测量同步。测得信号经低噪放大器后输入 DAQ 设备，通过公式转换为磁场积分值。
图7. 翻转线圈控制程序 VI “Control Flip Coil.vi” 的前面板界面
l 系统性能测试与结果
PXI-6733 模拟电压控制器具有 0.3 mV 输出分辨率，换算至电流控制精度为 0.3 mA，满足条件 A。
通过 16 位 ADC 与放大器，电压测量分辨率达 0.4 μV，对应积分磁场精度为 2 G·cm，满足条件 B。
控制逻辑基于 LabVIEW 编程，实现了毫秒级控制指令延迟，满足条件 C 与 D。
l 安装效果评估
图8展示了翻转线圈在施加 640 G·cm 积分磁场下的感应电压波形（左）及其积分曲线（右）。
图8. 翻转线圈感应电压测量图
五次测量重复性标准差为 ±0.00004 V·s。结合公式计算，磁场积分值为 10888±4 G·cm，达到了高稳定性与高重复性的评价目标。
该系统基于 LabVIEW 与 PXI 平台的翻转线圈磁场积分测量方案，不仅显著提高了测量效率（从3小时缩短至1秒以内），而且实现了优异的测量精度与稳定性，为大型同步辐射装置中相位调节器的精密调试提供了可靠的技术保障。
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