王艷冰 劉遐齡 秦斌 劉旭 楊磊 陳煒 劉開(kāi)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(chǎng)測(cè)量

王艷冰 劉遐齡 秦斌 劉旭 楊磊 陳煒 劉開(kāi)鋒 楊軍

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074）

為精確、快速測(cè)量波蕩器磁場(chǎng)積分，研制了一套基于拉伸線法的測(cè)磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Agilent 3458A八位半數(shù)字萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)微電壓信號(hào)采集，使用Kohzu高精度位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)拉伸線的精確同步移動(dòng)，測(cè)量軟件平臺(tái)采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)。使用測(cè)磁系統(tǒng)在一臺(tái)7周期混合永磁型波蕩器樣機(jī)上進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果同霍爾探頭點(diǎn)測(cè)吻合，一次積分和二次積分的重復(fù)測(cè)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(chǎng)測(cè)量。

波蕩器，拉伸線法，磁場(chǎng)積分

華中科技大學(xué)與國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室合作，目前正在研制一臺(tái)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(jì)相干輻射波長(zhǎng)50-100mm（對(duì)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(chǎng)，使得通過(guò)的電子束做橫向扭擺運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相干輻射電磁波。對(duì)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(zhǎng)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(jì)后，由意大利Kyma公司制造，目前已完成裝配和指標(biāo)驗(yàn)收，達(dá)到設(shè)計(jì)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(chǎng)分布特性包括相位誤差、積分場(chǎng)偏差等，對(duì)輻射光源品質(zhì)起到極為重要作用。對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)FEL振蕩器，電子束僅單次通過(guò)，影響束流工作點(diǎn)的多極場(chǎng)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(chǎng)積分也沒(méi)有特別高的要求。但是由于電子束能量較低，磁場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量可采用基于霍爾探頭的點(diǎn)測(cè)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(cè)量方法[5-9]。其中，脈沖線方法雖然可測(cè)量積分場(chǎng)沿束流軸分布，但對(duì)Cu-Be線參數(shù)、測(cè)量環(huán)境要求很高，導(dǎo)致測(cè)量重復(fù)性差；而拉伸線和翻轉(zhuǎn)線圈方法相對(duì)穩(wěn)定，測(cè)量精度和重復(fù)性好，是一種主要的快速積分場(chǎng)測(cè)量方法。考慮到30周期波蕩器總長(zhǎng)為1m，包含邊緣場(chǎng)，測(cè)量范圍要求達(dá)到1.5m，超出實(shí)驗(yàn)室目前一臺(tái)直角坐標(biāo)測(cè)磁系統(tǒng)范圍。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)快速積分場(chǎng)測(cè)量，搭建了一套基于拉伸線的積分場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。本文主要介紹拉伸線法(Stretch-wire Method, SWM)測(cè)量原理、測(cè)磁系統(tǒng)構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)方法、環(huán)境影響因素以及該測(cè)磁系統(tǒng)在一臺(tái)7周期波蕩器樣機(jī)上積分場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。

1 基于拉伸線的積分場(chǎng)測(cè)量原理

SWM最初用于四極磁鐵磁場(chǎng)特性測(cè)量，隨后在波蕩器等插入件磁場(chǎng)測(cè)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(duì)波蕩器磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中，同束流軸線垂直，平行移動(dòng)，保持處于磁場(chǎng)外面的部分固定不動(dòng)，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(cè)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(dòng)一個(gè)小距離d，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓對(duì)時(shí)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓隨時(shí)間積分為：

(6)

由此，可推出二次場(chǎng)積分計(jì)算式：

(8)

同理，可得出水平分量二次積分：

2 SWM積分場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)搭建

SWM測(cè)量系統(tǒng)的布局如圖2所示。測(cè)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(jì)了電路板以加強(qiáng)各股線的連接。

圖2 拉伸線積分場(chǎng)測(cè)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)(XA10A-L2/ ZA16A-X1)，該平臺(tái)集成了5相步進(jìn)電機(jī)和編碼器。運(yùn)動(dòng)控制器選用Kohzu SC410 4軸控制器，內(nèi)含電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)最多三軸同步控制。驅(qū)動(dòng)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(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。采用二十細(xì)分之后，水平和垂直方向運(yùn)動(dòng)精度分別為0.2mm和0.1mm。結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器與兩套二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)水平方向或垂直方向的高精度同步移動(dòng)，重復(fù)定位精度達(dá)到±2mm。對(duì)于移動(dòng)速度，結(jié)合感應(yīng)電壓輸出要求及噪聲的抑制，對(duì)一次和二次積分的測(cè)量分別取2mm·s-1和6mm·s-1。

感應(yīng)電壓的測(cè)量采用實(shí)驗(yàn)室已購(gòu)置的安捷倫3458A八位半數(shù)字萬(wàn)用表，當(dāng)設(shè)置NPLC=1（采樣率50Hz）時(shí)，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(cè)量時(shí)需要同時(shí)控制位移平臺(tái)和電壓測(cè)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(cè)量控制軟件系統(tǒng)，控制程序從功能上可分為運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集兩部分。運(yùn)動(dòng)控制部分可對(duì)線性運(yùn)動(dòng)控制器SC410的運(yùn)行速度、測(cè)量的起始點(diǎn)和位移、運(yùn)動(dòng)模式等進(jìn)行設(shè)定。數(shù)據(jù)采集通過(guò)對(duì)3458A的遠(yuǎn)程控制，采集直流電壓信號(hào)并進(jìn)行積分。為簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)和電壓測(cè)量的時(shí)序控制。

圖3為搭建的拉伸線積分場(chǎng)測(cè)磁系統(tǒng)，為驗(yàn)證測(cè)量精度，對(duì)一臺(tái)7周期波蕩器進(jìn)行了測(cè)試。該波蕩器長(zhǎng)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(chǎng)較大。

圖3 基于拉伸線圈法的積分場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

3 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

3.1 霍爾探頭測(cè)量法(Hall Probe Method, HPM)

為比對(duì)參照，采用HPM對(duì)7周期波蕩器樣機(jī)進(jìn)行了磁場(chǎng)測(cè)量。受霍爾點(diǎn)測(cè)裝置范圍限制，測(cè)量縱向長(zhǎng)度僅取860mm，但波蕩器兩端邊緣場(chǎng)區(qū)域達(dá)到300mm，認(rèn)為已降低至地磁水平。為對(duì)點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，單獨(dú)測(cè)量了地磁軸向分量，約0.2Gs。而在對(duì)波蕩器點(diǎn)測(cè)時(shí)，將背景磁場(chǎng)置零。測(cè)量了波蕩器橫向=0mm、=-5mm、=+5mm處縱軸長(zhǎng)860mm的磁場(chǎng)，重復(fù)測(cè)量5次，并以此為依據(jù)計(jì)算出波蕩器一二次積分。圖4為=0mm時(shí)波蕩器樣機(jī)磁場(chǎng)分布。

圖4 霍爾探頭點(diǎn)測(cè)磁場(chǎng)分布

3.2 SWM

為減少實(shí)驗(yàn)誤差、提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，我們?cè)诓煌娜掌趯?duì)一次積分和二次積分分別進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)測(cè)量，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20次測(cè)量。圖5(a)、(b)分別為=0mm兩端平行移動(dòng)時(shí)一次積分電壓及電壓積分信號(hào)，測(cè)量速度為2mm·s?1。圖6為=0mm單端移動(dòng)時(shí)二次積分電壓及電壓積分信號(hào)，測(cè)量速度為6mm·s?1。圖5、6顯示了其中5次測(cè)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(cè)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(hào)

圖6 二次積分電壓(a)及電壓積分(b)信號(hào)

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(duì)比(Iy / 10?6T·m，IIy/ 10?6T·m2)

在拉伸線法測(cè)磁系統(tǒng)中，拉伸線長(zhǎng)度取110cm，考慮到拉伸線法導(dǎo)線的有效測(cè)量長(zhǎng)度比霍爾探頭測(cè)量范圍長(zhǎng)，對(duì)霍爾點(diǎn)測(cè)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(zhǎng)度的影響，約為0.2′110=22Gs·cm。對(duì)點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，兩種方法的測(cè)量結(jié)果吻合。

4 測(cè)量結(jié)果的干擾因素及處理

SWM具有系統(tǒng)搭建相對(duì)簡(jiǎn)單、積分場(chǎng)測(cè)量快速等優(yōu)點(diǎn)，但是由于所產(chǎn)生感應(yīng)電壓較弱，測(cè)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(cè)量精度。

4.1 感應(yīng)電壓的測(cè)量

SWM的關(guān)鍵就是獲取相對(duì)準(zhǔn)確的感應(yīng)電壓。對(duì)于小的磁場(chǎng)積分，感應(yīng)電壓較弱，通常在微伏量級(jí)，因此提高測(cè)量系統(tǒng)的信噪比成為一個(gè)主要問(wèn)題，可通過(guò)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(chǎng)積分的感應(yīng)電壓同拉伸線圈匝數(shù)和移動(dòng)速度成正比，的選取由所測(cè)量磁場(chǎng)積分的重復(fù)測(cè)量精度、電壓積分測(cè)量精度及環(huán)境噪聲決定，本實(shí)驗(yàn)裝置采用=50的設(shè)置。更大的匝數(shù)可提高測(cè)量精度，但對(duì)于極細(xì)的利茲線串聯(lián)焊接帶來(lái)了困難。線圈的移動(dòng)速度需要考慮過(guò)大時(shí)帶來(lái)的線圈振動(dòng)噪聲，因此結(jié)合信號(hào)增益需要取一個(gè)平衡值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)一次和二次積分測(cè)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(dòng)對(duì)獲取感應(yīng)電壓的干擾，雖然電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度越快得到的感應(yīng)電壓越大，但是電機(jī)的運(yùn)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(dòng)的主要因素，采用細(xì)分脈沖數(shù)的方法控制電機(jī)的運(yùn)行速度和增加線的張力，可以減小線的振動(dòng)，特別在拉伸線上放置橡皮對(duì)較小線的振動(dòng)具有明顯效果；(2) 日光燈產(chǎn)生的電磁干擾也會(huì)對(duì)測(cè)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(duì)于測(cè)量電壓，占據(jù)了相當(dāng)大的比重；(3) 測(cè)量設(shè)備本身存在隨機(jī)誤差和本底誤差也會(huì)對(duì)測(cè)量電壓產(chǎn)生影響，利用拉伸線來(lái)回運(yùn)動(dòng)可消除所產(chǎn)生本底誤差。

4.2 測(cè)量二次積分時(shí)導(dǎo)線的切割方式

在進(jìn)行二次積分測(cè)量時(shí)，導(dǎo)線的切割運(yùn)動(dòng)方式對(duì)測(cè)磁結(jié)果也產(chǎn)生影響。除了§1.2介紹的單端運(yùn)動(dòng)方式以外，還有一種兩端相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式[10]。我們對(duì)兩種方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較：當(dāng)兩端相對(duì)移動(dòng)時(shí)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的線圈振動(dòng)較大，同時(shí)，相向?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了磁通變化的抵消，感應(yīng)電壓很小，導(dǎo)致信噪比過(guò)低；而對(duì)于相同的二次積分場(chǎng)和移動(dòng)速度，單端移動(dòng)的感應(yīng)電壓幅值約為兩端相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式的4倍。因此，選擇了單端切割運(yùn)動(dòng)的方式。

5 結(jié)語(yǔ)

精確快速測(cè)量波蕩器磁場(chǎng)的一次積分和二次積分，對(duì)于波蕩器的墊補(bǔ)、調(diào)試和運(yùn)行有重要意義。本文介紹了SWM測(cè)量積分場(chǎng)的基本原理，對(duì)基于該方法的積分場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的搭建、影響測(cè)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(cè)磁系統(tǒng)在一臺(tái)7周期混合永磁型波蕩器樣機(jī)上進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果同霍爾探頭點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，一次積分和二次積分的重復(fù)測(cè)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(chǎng)測(cè)量，為變間隙下波蕩器校正線圈的設(shè)計(jì)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(guó)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