張?zhí)煺?孔安博 陳凱 陳留國(guó) 劉功發(fā)

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室 合肥 230029）

在使用X射線進(jìn)行材料表征時(shí)，相關(guān)掃描實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行多維度、多模態(tài)成像以及吸收譜學(xué)測(cè)試，從而全面、準(zhǔn)確地得到樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)、元素組成和化學(xué)狀態(tài)［1-2］。合肥光源（Hefei Light Source，HLS）是真空紫外和軟X射線同步輻射光源［3］。目前，HLS的軟X射線磁性圓二色（X-ray Magnetic Circular Dichroism，XMCD）、催化與表面科學(xué)和計(jì)量等實(shí)驗(yàn)站在進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)時(shí)，均采用步進(jìn)掃描模式。步進(jìn)掃描模式的掃描過(guò)程是電機(jī)在運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置時(shí)停止，觸發(fā)探測(cè)器或者傳感器完成數(shù)據(jù)的采集和記錄，然后再控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)設(shè)定位置，重復(fù)上述過(guò)程，直到掃描結(jié)束。在步進(jìn)掃描模式中，電機(jī)需要經(jīng)歷多輪的減速、停止與加速過(guò)程，由電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的死區(qū)時(shí)間在掃描總用時(shí)中占據(jù)極大比例，導(dǎo)致掃描過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)效率低［4-5］。解決這個(gè)問(wèn)題的一種有效方法是采用飛掃模式進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，讓電機(jī)在掃描過(guò)程中連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并同步采集探測(cè)器數(shù)據(jù)，從而減少掃描用時(shí)，提高實(shí)驗(yàn)效率［6］。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些實(shí)驗(yàn)站正在使用或者正在部署飛掃這種快速連續(xù)掃描系統(tǒng)，包括能量飛掃和空間位置飛掃。目前飛掃的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種。第一種系統(tǒng)是使用集成了運(yùn)動(dòng)控制、位置捕捉并有同步觸發(fā)功能的運(yùn)動(dòng)控制器，例如西班牙ALBA光源在其BL22線站使用Turbo PMAC控制器實(shí)現(xiàn)飛掃［7］。第二種系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制部分由MAXv、IcePAP等不具有位置捕捉和硬件觸發(fā)功能的控制器實(shí)現(xiàn)，借助外部計(jì)數(shù)卡或者同步觸發(fā)硬件計(jì)算觸發(fā)位置并完成觸發(fā)，例如BESSY Ⅱ光源、上海光源、ALBA光源的部分線站使用計(jì)數(shù)卡實(shí)現(xiàn)飛掃［8-9］；中國(guó)臺(tái)灣TPS、日本KEK、法國(guó)SOLEIL、英國(guó)Diamond、美國(guó)NSLS-Ⅱ、中國(guó)北京HEPS等光源通過(guò)基于FPGA的同步觸發(fā)硬件實(shí)現(xiàn)飛掃［10-17］。綜合考慮兩種方法，為了適應(yīng)更多種類的運(yùn)動(dòng)控制器，本文選擇使用第二種方法。參考SOLIEL和Diamond合作研制的硬件同步觸發(fā)系統(tǒng)PandABox設(shè)計(jì)了基于國(guó)產(chǎn)SoM（System-on-module） Alinx-AC7020的同步觸發(fā)模塊［18-20］。開(kāi)發(fā)了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA） Zynq7020的硬件同步觸發(fā)模塊，并以它為核心構(gòu)建了包含同步信號(hào)采集模塊、同步運(yùn)動(dòng)控制模塊、上層軟件控制模塊的飛掃控制系統(tǒng)。我們將這套飛掃控制系統(tǒng)應(yīng)用于合肥光源XMCD實(shí)驗(yàn)站，實(shí)現(xiàn)了單色器能量飛掃實(shí)驗(yàn)，并對(duì)X射線吸收譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性、穩(wěn)定性和重復(fù)性等關(guān)鍵指標(biāo)做了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足采譜性能指標(biāo)的前提下，該飛掃系統(tǒng)可顯著提高實(shí)驗(yàn)效率和用戶體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛掃的掃描過(guò)程主要包含電機(jī)運(yùn)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集，為了快速、同步地完成掃描，本文設(shè)計(jì)的飛掃系統(tǒng)，主要由同步運(yùn)動(dòng)控制模塊、同步數(shù)據(jù)采集模塊以及上層軟件控制模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)按照設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)控制多軸電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)編碼器采集運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置編碼信號(hào)發(fā)送給同步數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)的硬件同步觸發(fā)模塊。硬件同步觸發(fā)模塊根據(jù)編碼器信號(hào)計(jì)算電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的位置列表產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，提供給探測(cè)器或傳感器觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。

圖1 飛掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the proposed on-the-fly mode control system

HLS的控制系統(tǒng)是基于實(shí)驗(yàn)物理及工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）的分布式控制系統(tǒng)［21］。運(yùn)動(dòng)控制器、硬件同步觸發(fā)模塊、探測(cè)器或傳感器的控制信號(hào)以及設(shè)備狀態(tài)信息都通過(guò)EPICS網(wǎng)絡(luò)傳送。掃描控制軟件基于Bluesky架構(gòu)，Bluesky是由美國(guó)NSLS-Ⅱ和APS實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)的用于科學(xué)數(shù)據(jù)采集、管理和分析的軟件組件，是建立在硬件抽象層之上的數(shù)據(jù)收集框架［22］。飛掃系統(tǒng)底層通過(guò)EPICS跟硬件進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)掃描方式、掃描范圍、探測(cè)器控制、運(yùn)動(dòng)控制等參數(shù)的控制，探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。上層應(yīng)用軟件主要實(shí)現(xiàn)掃描結(jié)果的處理、存儲(chǔ)和顯示。

1.1 同步運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)接收上位機(jī)生成的運(yùn)動(dòng)路徑，控制多軸電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)。本文選擇Zmotion公司的ZMC464運(yùn)動(dòng)控制器為同步運(yùn)動(dòng)控制模塊核心。ZMC464運(yùn)動(dòng)控制器最多支持64軸同步控制，支持編程以及EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）接口，支持多軸插補(bǔ)功能，最大脈沖頻率為10 MHz，能提供給電機(jī)較高的轉(zhuǎn)速和位置精度。驅(qū)動(dòng)器選擇的是支持EtherCAT總線接口和CiA 402協(xié)議的驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)上的編碼器信號(hào)一分為二，一路給同步觸發(fā)模塊用來(lái)計(jì)算位置，產(chǎn)生硬件同步觸發(fā)；一路給運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。ZMC464運(yùn)動(dòng)控制器與多臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器采用EtherCAT主從模式進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸同步，其中ZMC464為主站，掛載多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器為從站。

ZMC464運(yùn)動(dòng)控制器和EPICS IOC（Input-Output Controllers）之間采用TCP通訊。運(yùn)動(dòng)控制器的程序流程如圖2所示?；诙嗳蝿?wù)技術(shù)進(jìn)行編程，主任務(wù)創(chuàng)建新任務(wù)后，任務(wù)獨(dú)立執(zhí)行，各任務(wù)間互不影響。軌跡更新任務(wù)在上電后自動(dòng)創(chuàng)建，循環(huán)等待上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，并將這些軌跡點(diǎn)存入運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)的TABLE寄存器；主任務(wù)在上電后循環(huán)運(yùn)行，根據(jù)上位機(jī)指令可以完成軸號(hào)選擇、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動(dòng)等功能，當(dāng)接收到啟動(dòng)飛掃的指令時(shí)創(chuàng)建飛掃任務(wù)，依據(jù)已設(shè)定軌跡完成多軸同步運(yùn)動(dòng)，完成運(yùn)動(dòng)后飛掃任務(wù)結(jié)束。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制器程序流程圖Fig.2 Flowchart of the motion controller program

1.2 同步觸發(fā)模塊

同步觸發(fā)模塊是為了在電機(jī)快速、連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)電機(jī)的位置同步地產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)探測(cè)器完成數(shù)據(jù)采集。同步觸發(fā)模塊主要包含Zynq核心、編碼器控制單元、脈沖IO單元、設(shè)備監(jiān)控單元、供電單元其結(jié)構(gòu)如圖3所示。Zynq芯片型號(hào)為XC7Z020-2CLG400，包含F(xiàn)PGA programmable logic（PL）和ARM Cortex-A9 processor system（PS），外接主要元器件為DDR3、QSPI-flash、USB串口、SD卡、以太網(wǎng)PHY。

圖3 同步觸發(fā)模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of the synchronous trigger module system

編碼器控制單元包括輸入控制和輸出控制兩部分，支持正交（Quadrature）、同步串行接口（Synchronous Serial Interface，SSI）、雙向同步串行接口（Bidirectional Synchronous Serial Interface，BISS）和數(shù)字同步串行協(xié)議（EnDat），使用跳線配置編碼器信號(hào)類型。輸入控制對(duì)接收的外部編碼器信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后輸入至Zynq的PL編碼器端控制模塊，輸出控制則是將PL端編碼器控制模塊輸出的波形輸出至外部接口。PL中編碼器控制模塊用于與編碼器控制單元通信，提供控制信號(hào)、采集編碼器波形數(shù)據(jù)并解碼得到位置數(shù)據(jù)，同時(shí)也可根據(jù)位置序列產(chǎn)生編碼信號(hào)送至編碼器輸出。

脈沖IO單元輸入輸出同步脈沖，接收PL端脈沖產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出單端或差分脈沖，接收外部脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換發(fā)送至PL端。PL端脈沖產(chǎn)生模塊與脈沖IO單元通信，提供控制信號(hào)、采集輸入脈沖信號(hào)，可配置脈沖數(shù)、寬度、頻率、觸發(fā)條件等參數(shù)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出至脈沖IO單元。

設(shè)備監(jiān)控單元用于采集設(shè)備內(nèi)各類工作電壓的狀態(tài)以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)I2C跟ZYNQ芯片的PL端設(shè)備監(jiān)控模塊相連接。

PS和PL之間通過(guò)可擴(kuò)展互聯(lián)總線（Advanced eXtensible Interface，AXI）互聯(lián)，PL端接口配置模塊接收PS端控制需求和數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求，對(duì)編碼器控制和脈沖產(chǎn)生模塊提供接口配置參數(shù)控制，收集位置數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，打包后通過(guò)AXI總線發(fā)送至PS端。PS上運(yùn)行TCP服務(wù)器，上位機(jī)可以使用IOC通過(guò)TCP對(duì)同步觸發(fā)模塊進(jìn)行訪問(wèn)，通過(guò)讀寫(xiě)映射在用戶空間的PL端寄存器，讀取位置信息和配置參數(shù)。

1.3 軟件控制模塊

軟件控制模塊基于Bluesky框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。底層的硬件設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)接入軟件控制模塊，通過(guò)EPICS IOC進(jìn)行控制和狀態(tài)讀取。Ophyd層將EPICS PV信息抽象為設(shè)備對(duì)象，并提供給Bluesky以API接口。在Bluesky中，掃描過(guò)程被抽象為Plan，具體為調(diào)用實(shí)驗(yàn)需要的硬件對(duì)象按照實(shí)驗(yàn)過(guò)程執(zhí)行一系列原子操作來(lái)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。Bluesky將飛掃的Plan定義為包括包括kickoff、complete、collect三個(gè)函數(shù)，其中kcikoff先完成掃描和探測(cè)器相關(guān)的參數(shù)設(shè)置然后啟動(dòng)掃描，complete是等待掃描完成最后執(zhí)行，collect完成對(duì)探測(cè)器數(shù)據(jù)的采集、處理。RunEngine是Plan的解釋器，通過(guò)執(zhí)行設(shè)計(jì)好的Plan實(shí)現(xiàn)多設(shè)備聯(lián)動(dòng)完成特定實(shí)驗(yàn)。掃描運(yùn)行過(guò)程中，RunEngine同步將數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)通過(guò)Documents的方式拋出，傳遞給多個(gè)回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、顯示以及存儲(chǔ)。從用戶系統(tǒng)獲取的包括用戶ID、實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)參數(shù)等內(nèi)容作為元數(shù)據(jù)同時(shí)被存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包成HDF5文件格式，HDF5可以處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并支持高性能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索。

圖4 軟件控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of the software control module

2 飛掃系統(tǒng)應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的飛掃系統(tǒng)在HLS的XMCD線站完成部署并應(yīng)用在XAS實(shí)驗(yàn)采譜中?，F(xiàn)場(chǎng)部署示意圖如圖5所示，單色器的電機(jī)采用了鳴志公司的SSDC06-ECX-H，電機(jī)的編碼器信號(hào)接入同步觸發(fā)模塊。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)部署示意圖Fig.5 Schematic of the on-site deployment

式（1）給出了光柵方程和聚焦關(guān)系，其中：α、β分別為光柵的入射角和衍射角；λ是波長(zhǎng)；a1是光柵的設(shè)計(jì)參數(shù)；n為光柵線密度；m為衍射級(jí)次；r1、r2分別為光柵的入射臂和出射臂［23］。依據(jù)出射光能量不同計(jì)算出α、β。

光柵單色器光路示意圖如圖6所示，由此可得到平面鏡和光柵偏轉(zhuǎn)角度的計(jì)算公式（2），其中：α、β分別為光柵的入射角和衍射角；θ、φ是平面鏡和光柵的偏轉(zhuǎn)角度；γ是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝誤差；Xm、XG是平面鏡和光柵的位置，X0m、Lem、θ0m、X0g、Leg、φ0g是初始位置和角度參數(shù)由標(biāo)定得到。

圖6 光柵單色器光路示意圖Fig.6 Schematic of the light path in a grating monochromator

綜合式（1）和式（2）通過(guò)能量計(jì)算對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)得到光柵的入射角和衍射角α、β進(jìn)而計(jì)算出平面鏡和光柵的偏轉(zhuǎn)角θ、φ，進(jìn)一步得到能量和平面鏡、光柵位置Xm、Xg之間的關(guān)系，即按照特定軌跡同步運(yùn)動(dòng)光柵和平面鏡就可以連續(xù)改變能量。

進(jìn)行飛掃實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，控制平面鏡和光柵位置的兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行同時(shí)同步運(yùn)動(dòng)。兩軸的聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制采用連續(xù)直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，飛掃運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，速度設(shè)定值為兩個(gè)軸的合成速度，XMCD線站光柵-平面鏡位置關(guān)系如圖7所示，在常用實(shí)驗(yàn)?zāi)芰慷谓茷榫€性，兩個(gè)電機(jī)的速度近似勻速。同步脈沖的觸發(fā)選擇光柵電機(jī)的編碼器作為觸發(fā)。

圖7 XMCD線站光柵-平面鏡位置關(guān)系Fig.7 Relationship between the grating and mirror position in XMCD

光電流信號(hào)采集使用電流計(jì)6517B，6517B可以在設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)數(shù)量的條件下，通過(guò)外觸發(fā)進(jìn)行采集并將采集的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部寄存器中，當(dāng)采集到數(shù)量上限時(shí)停止接收觸發(fā)信號(hào)。使用6517B的TRIGGER LINK觸發(fā)模式接收同步觸發(fā)模塊的TTL輸出信號(hào)，進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。

上位機(jī)運(yùn)行掃描控制軟件，其飛掃的軟件流程如圖8所示。用戶在圖形界面上輸入和實(shí)驗(yàn)相關(guān)的用戶信息、樣品信息以及掃描相關(guān)的起始能量、結(jié)束能量和能量間隔。根據(jù)掃描起始能量、結(jié)束能量以及能量間隔這3個(gè)參數(shù)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的掃描能量點(diǎn)數(shù)量，再通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算得到每個(gè)掃描能量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光柵和平面鏡位置，聯(lián)合這些位置信息即可得到對(duì)應(yīng)掃描能量范圍的光柵和平面鏡二維運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8 飛掃軟件流程圖Fig.8 Flowchart of the on-the-fly mode program

開(kāi)始掃描后，RunEngine執(zhí)行飛掃Plan，在Kickoff過(guò)程完成對(duì)6517B電流計(jì)觸發(fā)模式、觸發(fā)點(diǎn)數(shù)的設(shè)置以及將掃描軌跡和觸發(fā)點(diǎn)參數(shù)分別發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制模塊和同步觸發(fā)模塊，其中觸發(fā)點(diǎn)參數(shù)以相對(duì)位置的形式存儲(chǔ)在同步觸發(fā)模塊的序列表模塊，在開(kāi)始掃描前將其內(nèi)部位置參數(shù)設(shè)為0與序列表首行位置對(duì)齊，設(shè)置結(jié)束后會(huì)給控制器下發(fā)開(kāi)始飛掃的命令，控制器按照寄存器中保存的掃描軌跡驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)伺服電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)。之后進(jìn)入Complete過(guò)程等待掃描的結(jié)束，掃描結(jié)束后收集6517B電流計(jì)記錄的數(shù)據(jù)，在圖形界面上顯示掃描結(jié)果并將數(shù)據(jù)以HDF5的格式存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)于上位機(jī)下發(fā)的觸發(fā)點(diǎn)參數(shù)，同步觸發(fā)模塊將其存儲(chǔ)到序列表模塊中，并在初始狀態(tài)指向序列表第一行。掃描過(guò)程中，同步運(yùn)動(dòng)控制模塊依據(jù)能量設(shè)置參數(shù)改變光柵、平面鏡的位置，同時(shí)編碼器將位置信號(hào)輸入到同步觸發(fā)模塊，同步觸發(fā)模塊解碼后得到電機(jī)當(dāng)前位置，將當(dāng)前位置與內(nèi)部序列表模塊生成的觸發(fā)位置進(jìn)行比較，若滿足序列表當(dāng)前行的預(yù)設(shè)條件則生成觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)6517B電流計(jì)記錄當(dāng)前電流，同時(shí)序列表內(nèi)部指向下一行，等待到達(dá)下一個(gè)觸發(fā)位置再次觸發(fā)，直到掃描結(jié)束。

3 飛掃控制系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 飛掃與步掃對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先是驗(yàn)證飛掃系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，即與傳統(tǒng)步進(jìn)掃描結(jié)果相比的一致性。對(duì)Fe樣品在能量范圍為690～740 eV、能量分辨率為0.1 eV的條件下分別使用飛掃系統(tǒng)和步進(jìn)掃描方式進(jìn)行XAS（Xray Absorption Spectroscopy）實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，橫軸為掃描能量范圍，縱軸為兩臺(tái)6517B采集電流結(jié)果相除后歸一化后的值。飛掃系統(tǒng)用時(shí)為1 min 50 s，獲得相同結(jié)果使用傳統(tǒng)的步進(jìn)掃描方式需要花費(fèi)25 min左右。

圖9 XAS實(shí)驗(yàn)的一致性測(cè)試結(jié)果Fig.9 Results of consistency testing in XAS experiments

可以看出，兩次結(jié)果峰形一致、峰位置一致。以步進(jìn)掃描結(jié)果為基準(zhǔn)，依據(jù)式（3）計(jì)算平均絕對(duì)誤差和相關(guān)系數(shù)［24］。平均絕對(duì)誤差是兩組數(shù)據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差絕對(duì)值的平均值，結(jié)果越小說(shuō)明兩條曲線一致性越好；相關(guān)系數(shù)是兩組數(shù)據(jù)的線性相關(guān)程度，越接近1則兩條曲線越相關(guān)即一致性越好。

其中：MAE是平均絕對(duì)誤差；r是相關(guān)系數(shù)；y1、y2是步進(jìn)掃描和飛掃實(shí)驗(yàn)中6517B采集的電流值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，平均絕對(duì)誤差結(jié)果為0.01，相關(guān)系數(shù)為0.993，兩條曲線的最高峰半高寬均為3.40 eV，說(shuō)明使用飛掃模式只需要花費(fèi)步進(jìn)掃描十幾分之一的時(shí)間就可以得到一致性很高的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)效率提高了十倍以上。

3.2 穩(wěn)定性測(cè)試

為了測(cè)量飛掃系統(tǒng)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性即系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文對(duì)Co樣品在能量范圍275～315 eV，能量分辨率為0.1 eV，使用飛掃系統(tǒng)進(jìn)行XAS實(shí)驗(yàn)，以相同的運(yùn)動(dòng)速度采集了10組數(shù)據(jù)。為清晰展示，在原始數(shù)據(jù)上做了上下偏移，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 XAS實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.10 Results of stability testing in XAS experiments

依據(jù)式（4）計(jì)算多條曲線的平均絕對(duì)誤差，與式（3）不同的是當(dāng)有多條曲線時(shí)，先計(jì)算每條曲線與其他曲線之間的平均絕對(duì)誤差，然后將它們求平均得到多條曲線之間的平均絕對(duì)誤差，平均絕對(duì)誤差越接近0說(shuō)明多條曲線的偏差越小即結(jié)果越穩(wěn)定。

其中：MAE是所有曲線的平均絕對(duì)誤差；MAEi是每一條曲線與其他曲線計(jì)算出的平均絕對(duì)誤差結(jié)果；n是曲線數(shù)量；m是數(shù)據(jù)數(shù)量。

10條曲線與其他曲線的平均絕對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果如表1所示，最后計(jì)算10組數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差為1.44×10-3，非常接近0，說(shuō)明在相同實(shí)驗(yàn)條件下使用飛掃模式多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性高，穩(wěn)定性好。

表1 每組數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差Table 1 Mean absolute error for each group

3.3 不同掃描速度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)Fe樣品改變不同的運(yùn)動(dòng)速度使用飛掃模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別花費(fèi)1 min 20 s、1 min 50 s、5 min 5 s在相同能量范圍、相同能量間隔完成三次XAS采譜，得到如圖11所示結(jié)果，三次采譜結(jié)果峰形一致且峰位置一致。依據(jù)式（4）計(jì)算三次結(jié)果的平均絕對(duì)誤差為1.5×10-3，接近于0，可知結(jié)果基本一致。因此，本文設(shè)計(jì)的飛掃系統(tǒng)進(jìn)行能量掃描受速度影響很小具有通用性，可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的要求，合理選擇飛掃的運(yùn)行速度以達(dá)到最好的實(shí)驗(yàn)效果。

圖11 XAS實(shí)驗(yàn)不同掃描速度測(cè)試結(jié)果Fig.11 Results of different scanning speeds testing in XAS experiments

4 結(jié)語(yǔ)

為解決合肥光源線站現(xiàn)有步進(jìn)掃描速度慢、效率低的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于硬件觸發(fā)的飛掃系統(tǒng)，基于Zynq 7020設(shè)計(jì)了硬件同步觸發(fā)模塊，并采用EtherCAT總線搭建了同步運(yùn)動(dòng)控制模塊，在EPICS架構(gòu)基礎(chǔ)上采用Bluesky開(kāi)發(fā)了軟件控制模塊，并在合肥光源的軟X射線磁性圓二色實(shí)驗(yàn)站上部署、測(cè)試了該系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)進(jìn)行XAS能量采譜，單次采譜時(shí)間相較于步進(jìn)掃描模式的幾十分鐘量級(jí)縮短至分鐘量級(jí)并且能保證吸收譜結(jié)果一致，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的飛掃系統(tǒng)提高了掃描實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效率和用戶體驗(yàn)，一方面為未來(lái)合肥先進(jìn)光源（Hefei Advanced Light Facility，HALF）線站相關(guān)系統(tǒng)的搭建、調(diào)試打下了基礎(chǔ)，另一方面由于設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)和使用的軟件框架具有良好的可拓展性，可為其他光源的實(shí)驗(yàn)站建設(shè)提供參考。

作者貢獻(xiàn)聲明張?zhí)煺茇?fù)責(zé)硬件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試；孔安博負(fù)責(zé)軟件開(kāi)發(fā)；陳凱負(fù)責(zé)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析；陳留國(guó)負(fù)責(zé)統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，論文的修改與指導(dǎo)；劉功發(fā)負(fù)責(zé)論文審閱和修改。