基于拉伸線法的振蕩器型THz-FEL波蕩器積分場測量

王艷冰 劉遐齡 秦斌 劉旭 楊磊 陳煒 劉開鋒 楊軍

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基于拉伸線法的振蕩器型THz-FEL波蕩器積分場測量

王艷冰 劉遐齡 秦斌 劉旭 楊磊 陳煒 劉開鋒 楊軍

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室 武漢 430074）

為精確、快速測量波蕩器磁場積分，研制了一套基于拉伸線法的測磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Agilent 3458A八位半數(shù)字萬用表實現(xiàn)微電壓信號采集，使用Kohzu高精度位移平臺實現(xiàn)拉伸線的精確同步移動，測量軟件平臺采用LabVIEW實現(xiàn)。使用測磁系統(tǒng)在一臺7周期混合永磁型波蕩器樣機(jī)上進(jìn)行了測量實驗，結(jié)果同霍爾探頭點測吻合，一次積分和二次積分的重復(fù)測量精度分別優(yōu)于2.5′10-6T·m和2.5′10-6T·m2。該系統(tǒng)將用于華中科技大學(xué)在研的一套緊湊型THz波段自由電子激光裝置中波蕩器磁場測量。

波蕩器，拉伸線法，磁場積分

華中科技大學(xué)與國家同步輻射實驗室合作，目前正在研制一臺振蕩器型的THz波段自由電子激光裝置(Huazhong University of Science and Technology THz Free-electron Laser, HUST THz-FEL)，設(shè)計相干輻射波長50-100mm（對應(yīng)電子束能量8.1-11.7 MeV），峰值功率約1 MW[1-3]。波蕩器是自由電子激光裝置中的核心部件，作為能量“耦合器”，因其精確的周期性磁場，使得通過的電子束做橫向扭擺運動，產(chǎn)生相干輻射電磁波。對于亞毫米波段振蕩器型FEL波蕩器，其參數(shù)需要根據(jù)電子束品質(zhì)，在FEL引出效率和單程增益間進(jìn)行平衡。HUST THz-FEL波蕩器采用線性極化的銣鐵硼純永磁結(jié)構(gòu)，周期數(shù)u=30，周期長度32mm，間隙可調(diào)，最小間隙16mm，值范圍1.0-1.3。該波蕩器在完成物理設(shè)計后，由意大利Kyma公司制造，目前已完成裝配和指標(biāo)驗收，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)[1,4]，變間隙下相位誤差<2°，一次積分與二次積分好于±5′10?6T·m和±5′10?6T·m2。

波蕩器的磁場分布特性包括相位誤差、積分場偏差等，對輻射光源品質(zhì)起到極為重要作用。對于長波長FEL振蕩器，電子束僅單次通過，影響束流工作點的多極場誤差不重要。從導(dǎo)致閉軌畸變(Closed Orbit Distortion, COD)角度，一次、二次磁場積分也沒有特別高的要求。但是由于電子束能量較低，磁場一次積分和二次積分分別決定電子束的角度和位置，需控制在較小水平。

積分場測量可采用基于霍爾探頭的點測方法，以及基于拉伸線、脈沖線和翻轉(zhuǎn)線圈等技術(shù)的快速測量方法[5-9]。其中，脈沖線方法雖然可測量積分場沿束流軸分布，但對Cu-Be線參數(shù)、測量環(huán)境要求很高，導(dǎo)致測量重復(fù)性差；而拉伸線和翻轉(zhuǎn)線圈方法相對穩(wěn)定，測量精度和重復(fù)性好，是一種主要的快速積分場測量方法?？紤]到30周期波蕩器總長為1m，包含邊緣場，測量范圍要求達(dá)到1.5m，超出實驗室目前一臺直角坐標(biāo)測磁系統(tǒng)范圍。同時為實現(xiàn)快速積分場測量，搭建了一套基于拉伸線的積分場測量系統(tǒng)。本文主要介紹拉伸線法(Stretch-wire Method, SWM)測量原理、測磁系統(tǒng)構(gòu)架和實現(xiàn)方法、環(huán)境影響因素以及該測磁系統(tǒng)在一臺7周期波蕩器樣機(jī)上積分場測量結(jié)果。

1 基于拉伸線的積分場測量原理

SWM最初用于四極磁鐵磁場特性測量，隨后在波蕩器等插入件磁場測量中得到了應(yīng)用[10]。該方法采用一定匝數(shù)閉合金屬線，對波蕩器磁場進(jìn)行切割，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。采用不同的切割方式，將感應(yīng)電壓積分后可得出相應(yīng)的一次和二次磁場積分[5,8-9]。

1.1 一次積分

如圖1(a)所示，將處于拉伸狀態(tài)的匝數(shù)為的閉合金屬線圈置于波蕩器磁場中，同束流軸線垂直，平行移動，保持處于磁場外面的部分固定不動，切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓正比于線圈包圍的磁通變化d/d。

圖1 拉伸線測量一次積分(a)及二次積分(b)原理圖

當(dāng)線圈沿軸平行移動一個小距離d，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓對時間積分等于線圈包圍磁通變化：

磁通的變化為：

(2)

由此得出磁場垂直分量沿軸線的一次積分為：

同理，可得出水平分量一次積分：

(4)

1.2 二次積分

如圖1(b)所示，保持拉伸線一端固定，另一端向正方向運動，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓隨時間積分為：

(6)

由此，可推出二次場積分計算式：

(8)

同理，可得出水平分量二次積分：

2 SWM積分場測量系統(tǒng)搭建

SWM測量系統(tǒng)的布局如圖2所示。測量拉伸線圈采用Elektrisola 50股直徑80mm的利茲線串聯(lián)繞制。由于絞合線單股線徑太細(xì)，焊接難以控制，極易造成短路及虛焊，為此設(shè)計了電路板以加強(qiáng)各股線的連接。

圖2 拉伸線積分場測磁系統(tǒng)原理圖

在波蕩器兩端安裝了日本Kohzu公司的兩套水平方向和垂直方向的線性運動平臺(XA10A-L2/ ZA16A-X1)，該平臺集成了5相步進(jìn)電機(jī)和編碼器。運動控制器選用Kohzu SC410 4軸控制器，內(nèi)含電機(jī)驅(qū)動器，可實現(xiàn)最多三軸同步控制。驅(qū)動器帶有細(xì)分脈沖技術(shù)，該技術(shù)可以減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動，提高電機(jī)的運轉(zhuǎn)精度。采用二十細(xì)分之后，水平和垂直方向運動精度分別為0.2mm和0.1mm。結(jié)合運動控制器與兩套二維運動平臺，可實現(xiàn)水平方向或垂直方向的高精度同步移動，重復(fù)定位精度達(dá)到±2mm。對于移動速度，結(jié)合感應(yīng)電壓輸出要求及噪聲的抑制，對一次和二次積分的測量分別取2mm·s-1和6mm·s-1。

感應(yīng)電壓的測量采用實驗室已購置的安捷倫3458A八位半數(shù)字萬用表，當(dāng)設(shè)置NPLC=1（采樣率50Hz）時，設(shè)置電壓量程0.1V，分辨率可達(dá)到10nV，遠(yuǎn)小于背景噪聲1mV。

考慮到在測量時需要同時控制位移平臺和電壓測量裝置，采用了GPIB總線串聯(lián)SC410和3458A，連接至控制筆記本。使用LabVIEW編寫了測量控制軟件系統(tǒng)，控制程序從功能上可分為運動控制、數(shù)據(jù)采集兩部分。運動控制部分可對線性運動控制器SC410的運行速度、測量的起始點和位移、運動模式等進(jìn)行設(shè)定。數(shù)據(jù)采集通過對3458A的遠(yuǎn)程控制，采集直流電壓信號并進(jìn)行積分。為簡化系統(tǒng)，未采用硬件觸發(fā)方式，而是利用LabVIEW軟件觸發(fā)進(jìn)行運動和電壓測量的時序控制。

圖3為搭建的拉伸線積分場測磁系統(tǒng)，為驗證測量精度，對一臺7周期波蕩器進(jìn)行了測試。該波蕩器長度260mm，周期32mm，固定間隙16mm，采用混合型結(jié)構(gòu)，由于未安裝端部墊補(bǔ)線圈，積分場較大。

圖3 基于拉伸線圈法的積分場測量系統(tǒng)

3 測量數(shù)據(jù)分析

3.1 霍爾探頭測量法(Hall Probe Method, HPM)

為比對參照，采用HPM對7周期波蕩器樣機(jī)進(jìn)行了磁場測量。受霍爾點測裝置范圍限制，測量縱向長度僅取860mm，但波蕩器兩端邊緣場區(qū)域達(dá)到300mm，認(rèn)為已降低至地磁水平。為對點測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，單獨測量了地磁軸向分量，約0.2Gs。而在對波蕩器點測時，將背景磁場置零。測量了波蕩器橫向=0mm、=-5mm、=+5mm處縱軸長860mm的磁場，重復(fù)測量5次，并以此為依據(jù)計算出波蕩器一二次積分。圖4為=0mm時波蕩器樣機(jī)磁場分布。

圖4 霍爾探頭點測磁場分布

3.2 SWM

為減少實驗誤差、提高測量的準(zhǔn)確性和驗證實驗的重復(fù)性，我們在不同的日期對一次積分和二次積分分別進(jìn)行了三組實驗測量，每組實驗進(jìn)行20次測量。圖5(a)、(b)分別為=0mm兩端平行移動時一次積分電壓及電壓積分信號，測量速度為2mm·s?1。圖6為=0mm單端移動時二次積分電壓及電壓積分信號，測量速度為6mm·s?1。圖5、6顯示了其中5次測量數(shù)據(jù)。圖7為一、二次積分隨的變化曲線圖。表1為SWM和HPM測量一次積分和二次積分的結(jié)果。

圖5 一次積分電壓(a)及電壓積分(b)信號

圖6 二次積分電壓(a)及電壓積分(b)信號

圖7 一次積分(a)、二次積分(b)隨x的變化曲線

表1 拉伸線法與霍爾探頭積分結(jié)果對比(Iy / 10?6T·m，IIy/ 10?6T·m2)

在拉伸線法測磁系統(tǒng)中，拉伸線長度取110cm，考慮到拉伸線法導(dǎo)線的有效測量長度比霍爾探頭測量范圍長，對霍爾點測數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，即增加了地磁軸向分量在拉伸線長度的影響，約為0.2′110=22Gs·cm。對點測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，兩種方法的測量結(jié)果吻合。

4 測量結(jié)果的干擾因素及處理

SWM具有系統(tǒng)搭建相對簡單、積分場測量快速等優(yōu)點，但是由于所產(chǎn)生感應(yīng)電壓較弱，測量結(jié)果易受環(huán)境干擾，需要仔細(xì)分析若干干擾因素并進(jìn)行處理，以獲得較高的重復(fù)測量精度。

4.1 感應(yīng)電壓的測量

SWM的關(guān)鍵就是獲取相對準(zhǔn)確的感應(yīng)電壓。對于小的磁場積分，感應(yīng)電壓較弱，通常在微伏量級，因此提高測量系統(tǒng)的信噪比成為一個主要問題，可通過下述兩方面解決。

4.1.1 提高拉伸線圈感應(yīng)

根據(jù)式(3)和(8)，一次及二次磁場積分的感應(yīng)電壓同拉伸線圈匝數(shù)和移動速度成正比，的選取由所測量磁場積分的重復(fù)測量精度、電壓積分測量精度及環(huán)境噪聲決定，本實驗裝置采用=50的設(shè)置。更大的匝數(shù)可提高測量精度，但對于極細(xì)的利茲線串聯(lián)焊接帶來了困難。線圈的移動速度需要考慮過大時帶來的線圈振動噪聲，因此結(jié)合信號增益需要取一個平衡值，通過實驗，對一次和二次積分測量分別取2mm·s?1和6mm·s?1。

4.1.2 降低感應(yīng)電壓背景噪聲

影響感應(yīng)電壓的噪聲有如下因素[8,11]：(1) 拉伸線圈的振動對獲取感應(yīng)電壓的干擾，雖然電機(jī)的運動速度越快得到的感應(yīng)電壓越大，但是電機(jī)的運行速度、線的張緊程度等因素產(chǎn)生的駐波是影響線的振動的主要因素，采用細(xì)分脈沖數(shù)的方法控制電機(jī)的運行速度和增加線的張力，可以減小線的振動，特別在拉伸線上放置橡皮對較小線的振動具有明顯效果；(2) 日光燈產(chǎn)生的電磁干擾也會對測量設(shè)備產(chǎn)生影響，關(guān)燈前后背景噪聲相差為3.5mV，相對于測量電壓，占據(jù)了相當(dāng)大的比重；(3) 測量設(shè)備本身存在隨機(jī)誤差和本底誤差也會對測量電壓產(chǎn)生影響，利用拉伸線來回運動可消除所產(chǎn)生本底誤差。

4.2 測量二次積分時導(dǎo)線的切割方式

在進(jìn)行二次積分測量時，導(dǎo)線的切割運動方式對測磁結(jié)果也產(chǎn)生影響。除了§1.2介紹的單端運動方式以外，還有一種兩端相對運動方式[10]。我們對兩種方法進(jìn)行了實驗比較：當(dāng)兩端相對移動時，電機(jī)的運動帶來的線圈振動較大，同時，相向?qū)ΨQ運動帶來了磁通變化的抵消，感應(yīng)電壓很小，導(dǎo)致信噪比過低；而對于相同的二次積分場和移動速度，單端移動的感應(yīng)電壓幅值約為兩端相對運動方式的4倍。因此，選擇了單端切割運動的方式。

5 結(jié)語

精確快速測量波蕩器磁場的一次積分和二次積分，對于波蕩器的墊補(bǔ)、調(diào)試和運行有重要意義。本文介紹了SWM測量積分場的基本原理，對基于該方法的積分場測量系統(tǒng)的搭建、影響測量結(jié)果因素的分析與處理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。使用拉伸線測磁系統(tǒng)在一臺7周期混合永磁型波蕩器樣機(jī)上進(jìn)行了測量實驗，結(jié)果同霍爾探頭點測數(shù)據(jù)吻合，一次積分和二次積分的重復(fù)測量精度好于2.5′10-6T·m和2.5×10?6T·m2。該系統(tǒng)將用于華中科技大學(xué)在研的一套緊湊型THz波段自由電子激光裝置中波蕩器磁場測量，為變間隙下波蕩器校正線圈的設(shè)計提供依據(jù)。

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Integral magnetic field measurement of THz-FEL oscillator undulator based on stretch-wire method

WANG Yanbing LIU Xialing QIN Bin LIU Xu YANG Lei CHEN Wei LIU Kaifeng YANG Jun

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Background: In collaboration with the National Synchrotron Radiation Laboratory, Huazhong University of Science and Technology is developing an oscillator-based THz free-electron laser (HUST THz-FEL). Purpose:In order to measure the magnetic field integrals of the undualtor accurately and quickly, a measurement system based on the stretch-wire method (SWM) was established.Methods: In the system, an eight and a half digital multimeter, Agilent 3458, was adopted to acquire the micro-volt voltage signal, and a Kohzu high precision positioning platform was employed to realize the high synchronized wire movement. The software of this system was implemented by LabVIEW programming Results:The field measurement system was tested in a prototype hybrid permanent undulator with 7 periods, which shows consistent results with the Hall probe mapping. The repeatability precision for first integral and second integral are better than 2.5′10-6T·m and 2.5′10-6T·m2respectively. Conclusion:The system met the design requirements and will be applied to the compact THz FEL oscillator located in Huazhong University of Science and Technology.

Undulator, SWM, Magnetic field integral

TL503.8

TL503.8

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.070103

國家自然科學(xué)基金(No.11375068)資助

王艷冰，男，1991年出生，2014年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，從事波蕩器裝置研究

秦斌，E-mail: bin.qin@mail.hust.edu.cn

2015-01-15，

2015-02-06