1、引言

最近，在德國(guó)漢堡都會(huì)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(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)電子加速器專用的高精度磁鐵組件（波蕩器）。

圖1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

圖2歐洲XFEL助理研究員SurenKarabekyan博士（左）向來(lái)自倍福呂貝克分公司的NilsBurandt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(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。

2、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波蕩器—特殊的磁鐵組件，它強(qiáng)制粒子通過一個(gè)嚴(yán)密的回旋過程。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”粒子，并會(huì)在這一過程中對(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。盤內(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SASE3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。

圖3 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PCC6925（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

3、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SurenKarabekyan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)?？刂七^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SurenKarabekyan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嚴(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TwinCAT同步和控制。我們目前正致力于此，由倍福的專家團(tuán)隊(duì)提供專門的支持。”

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

4、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)PCC5210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(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PCC6925通過TwinCATNCPTP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?？傮w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)PCC5210、91臺(tái)控制柜式PCC6925、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。

圖5 波蕩器部分控制系統(tǒng)的配置

5、結(jié)語(yǔ)

據(jù)SurenKarabekyann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PCC6925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100000N=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。”SurenKarabekyan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?？傮w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)能夠從倍福專家那里得到最佳支持。”

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