SPring-8偏光制御アンジュレータ用電磁石型移相器のためのフリップコイル直流積分磁場測定システム

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"LabVIEWによる視覚的なプログラミングと豊富な関数のおかげで、テスト内容に合わせた制御プログラムを容易に作成することができた。"

- 伊藤 功 氏, 東京大学物性研究所 軌道放射物性研究施設

The Challenge:
以下の条件を満たしたフリップコイル直流積分磁場測定システムを構築する。

  1. 限りなくゼロに近い積分磁場を発生させるために、十分な精度で安定に再現性よく電流を制御できる(目安として1mA以下)。
  2. 限りなくゼロに近い積分磁場を計測するために、十分な分解能を持ったデータ収録を行える(目安として10G・cm以下)。
  3. フリップコイルを回転させながら誘導電圧を測定するために、ステッピングモーターの回転制御と積分磁場の測定の間には同期性と確定性がある。
  4. テスト内容に合わせてユーザー自身が制御プログラムを作ることができる。

The Solution:
上記課題を満たすスペックを備えるNI製品を採用したことにより、解決。

  1. 300μVの分解能でアナログ出力を実現できる、電圧出力モジュール、NI PXI-6733
  2. 16bitのADCを持ち、最小±1.25Vのダイナミックレンジで計測が可能(分解能は2.5V/216=40μV)なDAQデバイス、NI PXI-6123
  3. リアルタイムOSを備え、μ秒レベルの時間確定性で実行可能な組込コントローラ、NI PXI-8106
  4. ユーザ自身で測定システムをプログラムできるグラフィカル開発ソフトウェア、NI LabVIEW

Author(s):
伊藤 功 氏 - 東京大学物性研究所 軌道放射物性研究施設
Mr. Ito Isao - Synchrotron Radiation Laboratory, Institute of Solid State Physics, University of Tokyo

1. 背景
東京大学では最先端の物質科学用高輝度軟X線ビームラインを大型放射光施設SPring-8に建設し、今年度からユーザー運転を開始している。図1は物質科学用高輝度軟X線ビームラインの全体図である。このビームラインには放射光の偏光を切り替えることができる偏光制御アンジュレータ(Polarization-Controlled Undulator)が採用されている。図2に偏光制御アンジュレータの原理図を示す。アンジュレータとは加速器中を周回する電子ビームを蛇行させて高輝度の放射光を発生させる装置である。偏光制御アンジュレータには、水平偏光の放射光を発生させるアンジュレータ4台と、垂直偏光の放射光を発生させるアンジュレータ4台が交互に配置され、その間に偏光を切り替える電磁石タイプの移相器(Phase Shifter)が設置されている。移相器は3つの偏向電磁石を磁極が交互に反転するように並べた電磁石である。移相器を励磁すると磁場の方向が周期的に交互に入れ替わった交番磁場が発生する。電子ビームが移相器の交番磁場を通過するとバンプ軌道を描く。このバンプ軌道により水平・垂直偏光アンジュレータからの放射光の位相差が生じる。この位相差を制御して水平偏光と垂直偏光を重ね合わせることで偏光制御アンジュレータから直線偏光や左右円偏光を発生させることができる。

図1. 物質科学用高輝度軟X線ビームラインの全体図


図2.偏光制御アンジュレータの原理

図3. 移相器のプロトタイプの外観と図面

偏光制御アンジュレータで高品質の放射光を発生させるためには、移相器に以下の条件が要求される。

(1) 磁場の変動によって、アンジュレータからの放射光の品質を劣化させたり、全体の電子ビームの軌道に歪みや変動を与えることがないように、移相器の磁場が常時安定に再現性よく出力できる。
(2) バンプ軌道の前後で電子ビームの軌道が大きくずれないように、移相器を通過する間に電子ビームが被る磁場が可能な限り正味ゼロになる。言い換えれば移相器の入口から出口までの磁場の積分量(積分磁場[G・cm])が可能な限りゼロになる。

我々はこれまで移相器の設計・製作を行ってきた。図3に移相器のプロトタイプを示す。この移相器に対して上記(1)(2)に関する性能評価を行なうため、直流磁場測定を行ってきた。測定はホールプローブと3次元ムーバで構成された直流磁場測定システムで行なった。図4に測定システムの概略図を示す。この測定システムは3次元ムーバによりホールプローブを移相器中へ少しずつ入れていきながら磁場分布を計り、移動距離の積分を行なう。この測定システムでは、(1)の磁場の安定性・再現性を評価するのに移相器中の一点のみの値を測定することしかできず、移相器を横断する電子ビームへの影響を評価するには不十分であった。さらに、(2)の積分磁場を計測するのに移相器の入口から出口までホールプローブを少しずつ動かしながら直流磁場分布を測定するため、測定に1時間程度の時間がかかり、電源や計測器の温度変動の影響を無視できなかった。そこで短時間で精度よく直流積分磁場が測定できるフリップコイル直流積分磁場測定システムの開発が必要になった。

図4.ホールプローブと3次元ムーバによる直流積分磁場測定システム

図5にフリップコイルによる直流積分磁場測定の原理図を示す。図5のように直流磁場B0中でコイル(巻き数N、長さL、幅W)を回転させると、下記の(a)式で表される誘導電圧Vがコイルに生じる。

さらに誘導電圧を回転時間で積分すると、下記の(b)式で表される積分磁場B0Lが得られる。

 

この方法はフリップコイルの回転時間だけで測定が済むので、電源や計測器の温度変動の影響を受けない。

図5. フリップコイルによる直流積分磁場測定の原理

2. 課題
フリップコイル直流積分磁場測定システムには以下の条件が課される。

(A) 限りなくゼロに近い積分磁場を発生させるために、十分な精度で安定に再現性よく電流を制御できる(目安として1mA以下)。
(B) 限りなくゼロに近い積分磁場を計測するために、十分な分解能を持ったデータ集録を行える(目安として10G・cm以下)。
(C) フリップコイルを回転させながら誘導電圧を測定するために、ステッピングモーターの回転制御と積分磁場の測定の間には同期性と確定性がある。
(D) テスト内容に合わせてユーザー自身が制御プログラムを作ることができる。

これらの条件を念頭において機器選定を行った結果、我々はナショナルインスツルメンツのLabVIEW Real TimeモジュールとPXIシステムで診断システムを構成することに決めた。

3. ソリューション
3.1. システム構成
図6にフリップコイル直流積分磁場測定システムの外観とブロック図を示す。

図6. フリップコイル直流積分磁場測定システムの外観とブロック図

フリップコイルは長さ600mm、幅5mmのガラスエポキシ製のボビンに径0.2mmの銅線を10回巻きにしたものである。コイルの回転にはステッピングモーター (オリエンタル製RK566BE)を使用する。回転速度は180度/0.5〜1秒である。コイルの回転角度はインクリメンタルエンコーダ(オムロン製E6B2-CWZ6C)で計測する。

フリップコイルの制御システムはNational InstrumentsのDAQデバイス (PXI-6123, PXI-6221)と電圧出力モジュール(PXI-6733)、モーションコントローラ(PXI-7330)、組込みコントローラ(PXI-8106)で構成されていて、これらはLabVIEW Real Timeモジュールで作ったVIで制御する。制御の手順としては、まず電圧出力モジュールから電源に外部参照信号を送る。電源は外部参照信号に応じた電流を移相器に流す。移相器に流す電流は1秒間で0.1Aずつのランプ制御で上げ下げを行う。直流電流によって移相器が励磁されたら、モーションコントローラでフリップコイルを回転させ、フリップコイルの回転角度(エンコーダの信号)と移相器の直流磁場(フリップコイルの誘導電圧)を各々2つのDAQデバイスで同期(20MHz)を取りながら計測する。フリップコイルの誘導電圧は微弱なので、低ノイズプリアンプで増幅して計測する。計測した誘導電圧は(a)(b)式で積分磁場に変換される。以上の制御の手順はリアルタイムOS上で実行される。図7にフリップコイル制御VI ”Control Flip Coil.vi”のフロントパネルを示す。

図7. フリップコイル制御VI ”Control Flip Coil.vi”のフロントパネル

3.2結果
(1)診断システムが上記課題(A)(B)(C)(D)をどのように解決したのか
電流を制御する電圧出力モジュールPXI-6733は300μVの分解能でアナログ出力を実現できるため、このアナログ出力を電源の外部参照信号端子に入力すると、移相器に流れる電流を300μAの精度で制御できる。以上より用件(A)は十分に満たされる。
DAQデバイスPXI-6123は16bitのADCを持ち、最小±1.25Vのダイナミックレンジで計測が可能であり、よって分解能は2.5V/216=40μVである。このデータ収録ボードとゲイン100の低ノイズプリアンプを併用することで40uV/100=0.4μVの分解能を実現できる。0.4μVの分解能を(b)式を用いて積分磁場に変換すると2G・cmになり、十分な精度である。以上より用件(B)は十分に満たされる。

電圧出力モジュールとDAQデバイスは同一のクロック(20MHz)を使用しているため、移相器の電源と積分磁場の計測を50nsの精度で同期できる。さらに組込みコントローラPXI-8106のOSはリアルタイムOSであるため、制御プログラムは割り込みなどで中断されることはなく、さらにμ秒レベルの時間確定性で実行される。以上より用件(C)は十分に満たされる。

LabVIEWによる視覚的なプログラミングと豊富な関数のおかげで、テスト内容に合わせた制御プログラムを容易に作成することができた。例えば、フリップコイルの回転制御とエンコーダ・コイル電圧の測定の同期をとる必要があったが、DAQmx関数とエラー配線によりモーションコントローラと2枚のDAQデバイスの同期を容易にできた。さらに移相器に電流を流す場合、一定時間間隔で電流を上げるランプ制御をする必要があったが、LabVIEWによりランプ制御プログラムを容易につくることができた。以上より用件(D)は十分に満たされる。

(2)導入効果について
 図8左は移相器の中央の電磁石Bのみで約640Gの直流積分磁場を発生させたときのフリップコイルの誘導電圧である。フリップコイルは180度/0.8秒の速度で、反時計回りに回転させた。図8右は誘導電圧を回転時間で積分したものである。この測定を5回繰り返して平均値と標準偏差を求めた結果、0.12230±0.00004V・secとなった。N=10、W=5.2mmであるから、(1)式より直流積分磁場は10888±4G・cmとなる。

図8. フリップコイルの誘導電圧

 以上より、LabVIEWとPXIシステムで構築したフリップコイル直流積分磁場測定システムは、0.3mAの精度の電流ランプ制御と、2G・cmの分解能の積分磁場測定を実現し、これまで1時間程度かかっていた移相器の直流積分磁場測定を1秒以内で行うことを可能となった。このフリップコイル直流積分磁場測定システムによって現実に即した安定性・再現性の評価試験が期待できる。

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