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(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)營。它將供來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(diǎn)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(diǎn)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(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(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(yùn)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(jī)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(jìn)行的頻譜光柵實(shí)驗(yàn)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?yàn)檫@保證了磁場強(qiáng)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(yùn)動控制功能的高性能 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?yàn)閷磿r測量光子能量進(jìn)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(jī)場的‘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。”

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

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(dá)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(jī)的 2 個 AX5206 伺服驅(qū)動器。工業(yè) PC 還控制三個步進(jìn)電機(jī) — 兩個用于四極動子，一個用于移相器。移相器電機(jī)與伺服驅(qū)動器同步運(yùn)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?？傮w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(jī)以及約 3200 個 EtherCAT 端子模塊構(gòu)成。

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(qiáng)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(jì)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(shí)現(xiàn) STO 和 SS1 安全功能的 AX5206 伺服驅(qū)動器的 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(dá)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(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)，即使在一個大型裝置中，如我們的設(shè)施?？傮w而言，這是一個經(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，我們總是隨時能夠從倍福專家那里得到最佳支持。”