同步輻射簡介
二十世紀(jì)以來，同步輻射一直是科技研究最重要的光源。同步輻射裝置就像一臺超巨型顯微鏡，將研究人員帶入形形色色的微觀世界。研究人員可以藉由同步輻射從事物理、化學(xué)、生物、電子、材料、化工、能源、奈米技術(shù)等純粹與應(yīng)用科學(xué)研究。
因此，建造同步輻射設(shè)施已成為各國高科技能力的指針。目前全球供實(shí)驗(yàn)用的同步輻射加速器估計(jì)至少超過七十座，同時在世界各地有更多建構(gòu)同步輻射的計(jì)劃正積極推動著。
同步輻射（synchrotron radiation）是由以近光速行進(jìn)的電子束在受外在偏轉(zhuǎn)磁鐵的磁力改變運(yùn)動方向時所發(fā)射的電磁波。同步加速器的結(jié)構(gòu)包含電子槍或離子源、線型加速器、偏轉(zhuǎn)磁鐵、真空腔、RF腔、實(shí)驗(yàn)站等。電子或離子首先由電子槍或離子源激發(fā)產(chǎn)生，經(jīng)直線加速器加速到接近光速，再通過輸送管道進(jìn)入儲存環(huán)。儲存環(huán)是由許多磁鐵組成。粒子在儲存環(huán)旋轉(zhuǎn)處受到偏轉(zhuǎn)磁鐵作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并在直線段持續(xù)加速以保持動能，并在儲存環(huán)中作回旋運(yùn)動，同時不斷發(fā)出同步光。光束路線將同步光從儲存環(huán)引導(dǎo)出來，憑借內(nèi)部精密的光學(xué)組件將同步光聚焦并選取合適波段的同步輻射送入實(shí)驗(yàn)站�？茖W(xué)研究人員在實(shí)驗(yàn)站測量同步輻射經(jīng)過物體反射、衍射、散射及透射后的光譜或是探測物體被光子激發(fā)出的電子、離子等，來研究物體的結(jié)構(gòu)性能，探索微觀世界的奧秘。
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圖一：同步輻射設(shè)施架構(gòu)。資料來源: SOLEIL |
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圖二：同步輻射產(chǎn)生原理。資料來源: SOLEIL |
同步輻射系統(tǒng)
同步輻射設(shè)備以系統(tǒng)分類可分為磁鐵系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)、注入與引出系統(tǒng)、電子冷卻系統(tǒng)、內(nèi)靶系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、準(zhǔn)直與測量系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下：
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圖三：同步輻射系統(tǒng)架構(gòu)。資料來源：凌華科技 |
以PXI量測平臺實(shí)現(xiàn)同步輻射之應(yīng)用整體系統(tǒng)所需要的監(jiān)控I/O非常龐大，一般來說中型的同步輻射設(shè)施所用到的監(jiān)測通道估計(jì)數(shù)量如下表：
同步輻射子系統(tǒng) |
物理訊號 |
數(shù)字訊號 |
控制訊號 |
總計(jì) |
磁鐵與電源 |
200 |
2500 |
500 |
3200
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注入與引出 |
150 |
100 |
10 |
260 |
內(nèi)靶 |
100 |
100 |
10 |
210 |
電子冷卻 |
200 |
500 |
300 |
1000 |
真空 |
3000 |
1500 |
1500 |
6000 |
總計(jì) |
3650 |
4700 |
2320 |
10670 |
資料來源：凌華科技。 若再加上高頻系統(tǒng)、束流診斷系統(tǒng)以及其它子系統(tǒng)，則整個監(jiān)測控制平臺需要的監(jiān)測控制通道數(shù)勢必超過一萬五千點(diǎn)甚至兩萬點(diǎn)以上，如此龐大的監(jiān)測控制通道點(diǎn)數(shù)需要用到為數(shù)眾多的數(shù)據(jù)采集卡。工作平臺若采用工業(yè)計(jì)算機(jī)則將遇到插槽數(shù)量有限的瓶頸，若采用CompactPCI作為平臺則無法滿足大量量測控制模塊間必須達(dá)到同步的要求。所以，唯有最先進(jìn)的PXI量測平臺技術(shù)方能同時達(dá)成支持與同步大規(guī)模量測控制模塊的高端嚴(yán)苛需求。
在同步輻射控制系統(tǒng)中，因?yàn)楦髁繙y點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)，所以控制系統(tǒng)通常是采用WEB的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括前端控制服務(wù)器和整體控制系統(tǒng)本身。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：
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圖四：同步輻射分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)。資料來源：凌華科技 |
前端控制服務(wù)器用來提供對受控目標(biāo)和裝置的完全控制，它們可以接收命令和資料，運(yùn)行算法則，向設(shè)備送出控制信號，返回設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，提供人機(jī)界面等。按照現(xiàn)場要求執(zhí)行裝置量測與控制。
通過網(wǎng)站服務(wù)器和用戶瀏覽器，操作人員能夠通過WEB形式發(fā)出指令并接收設(shè)備狀態(tài)信息。同時，它能夠和運(yùn)行在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（Intranet）上的數(shù)據(jù)庫自動交換數(shù)據(jù)。
在圖中，除了前端控制服務(wù)器的其余部分皆為整體控制系統(tǒng)本身。整體控制本身包括：網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，集群服務(wù)器系統(tǒng)。所有系統(tǒng)控制和束流診斷所需的數(shù)據(jù)，都存放在整體控制數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)裝置按照數(shù)據(jù)庫中的命令和數(shù)據(jù)操作。這個解決方案控制所有的前端服務(wù)器，確保各個系統(tǒng)裝置工作良好，而它也為各控制部件之間提供高速數(shù)據(jù)交換，同時為操作人員提供接口和信息。
解決方案
由凌華的PXI量測平臺建構(gòu)前端控制服務(wù)器成為一個分布式量測控制網(wǎng)，使整體系統(tǒng)具有統(tǒng)一的通訊協(xié)議、模塊規(guī)范、與獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境，以盡可能避免非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)所造成的問題。凌華的PXI量測產(chǎn)品如A/D，D/A和I/O控制模塊，主要用在前端控制系統(tǒng)中。前端控制系統(tǒng)控制的對象主要包括：電子冷卻裝置，真空腔控制裝置，內(nèi)靶系統(tǒng)，輻射防護(hù)系統(tǒng)，非脈沖電源，束流診斷，加速環(huán)磁鐵控制，門禁系統(tǒng)，供水供電等。每一對象相互之間環(huán)環(huán)相扣，需要高可靠且精密的量測控制。
一般同步輻射的軟件平臺基于微軟的Windows技術(shù)，并采用各式的開發(fā)程序如Visual
Studio、BCB、Delphi等開發(fā)。其中的核心技術(shù)包括微軟的dcom/com+、DNA，好處在于有許多成熟高端的軟件支持可供選擇。不過，也有使用LINUX作為開發(fā)平臺的，其好處在于GNU
C++的高效率。無論在Windows或Linux的軟件支持上，凌華都有完整且多樣的驅(qū)動軟件供使用者使用。
在量測控制產(chǎn)品領(lǐng)域中，凌華提供完整且多樣化的PXI量測產(chǎn)品與平臺，無論在性能與規(guī)格上都相當(dāng)優(yōu)越，也因此從歐洲到中國大陸的許多大型同步輻射計(jì)劃均采用凌華所提供的量測解決方案。
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