Beckhoff, 초전도성 전자 리니어 가속기의 PC 기반 모션 제어 [무인화기술 2017년 6월]

유럽 XFEL의 X-선 레이저를 위한 고정밀 다이나믹한 드라이브 제어

흥미로운 새 연구 시설이 현재 함부르크 도심 지역에 건설 중이다. 2017년에 개관할 센터는 종래의 X-선 방사능 소스보다 10억 배 밝은 초단파 X-선 플래시를 초당 27,000 번 발생시키는 장치인 유럽 XFEL의 X-선 레이저를 수용할 것이다. Beckhoff의 PC 기반 제어 및 드라이브 기술이 그 전자 가속기의 총 91개 특수 고정밀 자석 조립체(undulator)를 설치하는데 사용된다.

유럽 XFEL X-선 레이저는 대부분 지하 터널에 위치해 있는 총 3.4km 의 시설에 설치된다.

유럽 XFEL의 연구 보조원인 Suren Karabekyan 박사(왼쪽)는 Beckhoff 뤼 베크 지점의 Nils Burandt 에게 undulator의 미세한 물리적 세부 사항을 설명하고 있다.

레이저 X-선 플래시로 유럽 XFEL X-선 레이저는 연구의 완전 새로운 분야를 열어 줄 것이며 3차원 나노 이미지, 바이러스와 세포의 원자 정보 해독 및 초고속 화학반응 실험과 같은 기능이 가능하다. 시설은 총 3.4km길이이고 대부분 지하 터널 안에 위치해 있으며, 함부르크에 있는 독립 연구 기관 유럽 XFEL에 의해 운영될 것이다. 전세계의 연구팀들이 실험을 위해 이곳을 이용할 것이다. 현재 그곳은 11개국-덴마크, 독일, 프랑스, 이탈리아, 폴란드, 러시아, 스웨덴, 스위스, 슬로바키아, 스페인 및 헝가리-으로 구성되어 있다.

유럽 XFEL의 특징은 매우 높은 반복률, 즉 초전도 가속기 기술에 의해 가능한 초당 27,000번의 X-선 플래시이다. 플래시는 0.05 ~ 6 nm의 파장을 가지고 있으며 이것은 너무 짧아서 심지어 원자 정보가 보인다. 100 femtoseconds 미만의 시간 지속(1 fs = 10-15 s)덕분에 심지어 분자 형성 또는 자화 반전을 기록할 수 있을 것이다. 레이저 광 장치는 원자 수준에서 3차원 이미지를 가능하게 한다.

가속된 전자의 X-선 플래시

X-선 플래시 형성을 위한 스타팅 포인트는 1.7km 길이의 초전도 리니어 전자 가속기이다. 내부에서 전자 패킷은 고에너지 상태로 가속화되고 거의 빛의 속도에 도달한다. 가속은 “공진기”라 불리는 특별한 형태의 빈 공간에서 발생한다. 이것은 X-선 레이저가 필요할 때 초전도를 제공하고 아주 좁고 균일한 전자 빔을 가능하게 한다.

그 다음 가속화된 전자는 입자가 급격한 슬랄롬 코스를 통과하도록 하는 특별한 자석 집합체인 undulator(방사광을 얻는 장치)를 통해 속도를 낸다. 전자는 X-선 광을 발산하고 이는 빛과 전자의 상호작용으로 인해 더 증폭된다. 빛이 전자보다 더 빨리 전파되기 때문에 빛은 입자를 추월하고 이런 과정에서 입자에 영향을 미친다. 일부 전자는 가속화되고 일부는 감속한다. 그 결과 전자는 수많은 얇은 디스크를 형성한다. 디스크 내부의 모든 전자는 이제 동시에 발산하여 레이저 빛과 유사한 속성을 가진 극도로 짧고 강렬한 X-선 플래시를 발생시킨다.

자기 증폭 자발 방출(SASE) 원리가 작동하기 위해서 undulator 시스템은 각각 부채 형태의 배열로 가속기 뒤에 위치해 있는 여러 장치로 구성되어 있다. 유럽 XFEL은 3개의 undulator 시스템을 포함한다- 각각 35개의 undulator 셀을 가지고 있는SASE 1과 2 및 21개의 셀을 가진 SASE 3. 모든 undulator 시스템의 총 길이는 555.1m이다.

91개의 undulator 셀은 각각 PC 기반 제어로 제어된다. 시스템은 C6925 제어 캐비닛 PC(오른쪽), 수많은 EtherCAT 터미널(중앙), 및 2개의 AX5206 서보 드라이브(왼쪽)을 포함한다.

PC 기반 모션 제어는 undulator의 정밀한 제어를 제공한다

undulator는 2개의 자석 구조로 구성되어 있으며 그 둘 사이의 거리-가속화된 전자의 일정한 에너지로-는 궁극적으로 레이저 광의 파장을 결정한다. 유럽 XFEL의 연구원 Suren Karabekyan 박사가 설명하듯이 이것은 드라이브 제어를 매우 까다롭게 만든다. “2개의 서보모터가 두 자석 구조를 각각 구동하는데 사용됩니다. 전자와 광자 다발 사이의 위상 시프트를 방지하기 위해서 제어 프로세서는 고도로 동기화되어야 합니다. 이것은 우리가 하게 될 스펙트럼 래스터 실험의 중요한 요건이며 순서 오류는1 μm미만이어야 합니다. 게다가 이것은 자기장 세기의 높은 재현성 및 그 결과로서의 광자 파장을 보장하기 때문에 자석 구조의 거리에 대하여 ±1 μm의 반복성이 보장되어야 합니다. 표준 산업 자동화 시스템을 사용해서 이런 아주 까다로운 요구사항을 충족시키는 것이 의도였습니다. 수개월간 지속된 평가 이후 Beckhoff의 PC기반 제어 및 드라이브 기술이 이상적인 후보로 떠올랐습니다.”

Suren Karabekyan 박사가 설명하듯이 통합 모션 제어 기능을 갖춘 고성능 TwinCAT 소프트웨어는 많은 이점을 제공한다. “TwinCAT은 여러 축들의 정확한 동기화 가능성과 함께 매우 정밀하고 다이나믹한 드라이브 제어 시스템의 구현을 가능하게 해줍니다. 최대 35개의 셀을 가진 우리의 긴 undulator 시스템의 높은 동기화 요구사항이 충족될 수 있습니다. SASE 섹션 내에서 undulator 제어에 대한 요구는 아주 엄격합니다. 이것은 광자 에너지를 실시간으로 측정하는 실험이 섹션 내에 있는 모든 undulator를 위한 자석 구조 거리의 최대 동기화를 요구하기 때문입니다. 그 대표적인 사례는 1200개 이상의 서보 축들이 TwinCAT을 통해 동기화되고 제어되는 싱가포르 창이 공항의 “Kinetic Rain” 프로젝트입니다. 우리는 현재 Beckhoff 전문가들의 헌신적인 지원으로 이것을 진행하고 있습니다.”

각 undulator 셀마다 있는 총 4개의 AM3052 서보모터 -TwinCAT NC PTP를 통해 제어되는- 는 자석 구조가 정확하게 배치되었음을 보장한다 (이미지는 상부 자석 구조의 두 모터들을 보여준다).

수많은 undulator 셀은 복잡한 자동화 시스템을 필요로 한다

각각의 SASE undulator 섹션은 C5210 19인치 슬라이드-인 산업용 PC를 사용해서 제어된다. 그들은 케이블 이중화(redundancy) 및 EtherCAT 링 토롤로지를 통해 네트워크화된다. 길이가 수 킬로미터 인 터널 때문에 광섬유 케이블이 사용된다. 게다가 각 SASE 섹션의 undulator 셀은 데이지 체인 시스템의 형태로 이더넷을 통해 서로 연결된다. 각 undulator 셀에서 C6925 제어 캐비닛 PC가 사용되며 4개의 AM3052 서보모터를 위해2개의 AX5206 서보 드라이브를 TwinCAT NC PTP 로 제어한다. 또한 IPC는 사극자 무버용 2개, 위상 시프터용 1개 총3개의 스텝모터를 제어한다. 위상 시프터 모터는 서보 드라이브에 동기화 되어 작동하며 개별 undulator 셀 사이에서 전자와 광자 패킷의 위상을 보정한다. 필요한 I/O 데이터는 펄스 트레인, 엔코더 및 브릿지 단자뿐만 아니라 언듈레이터 셀, 디지털과 아날로그 I/O마다 35개의 EtherCAT 단자로 제공된다. 전체적으로 PC 기반 제어 솔루션은 3개의 C5210 19인치 슬라이드-인 PC, 91개의 C6925 제어 캐비닛 PC, 182개의 AX5206서보 드라이브, 364개의 AM3052 서보모터 및 대략 3200개의 EtherCAT 터미널들로 구성된다.

Suren Karabekyan 박사에 따르면, 그 결과는 91개의 undulator 셀을 위한 소형의 강력한 제어 시스템이다. “팬이 없는 C6925 제어 캐비닛 PC는 매우 컴팩트 합니다. 그것은 언듈레이터 셀 내에서 모든 제어 작업을 처리할 수 있는 적절한 컴퓨팅 능력을 가진, 우리가 찾을 수 있는 가장 작은 디바이스입니다. 이러한 오퍼레이션은 자석 구조의 제어를 위해 마스터와 슬래브 축 간의 고정밀 동기화 및 자석 거리의 변화에 대해 위상 시프터의 정확한 동기화를 포함합니다. 추가 이점은 STO 및 SS1 안전 기능을 구현하는데 사용되는 AX5206 서보 드라이브의 AX5801 TwinSAFE 옵션 카드에 의해 제공되는 시스템 통합 안전 기술에서 기인합니다. 이 고성능 제어 및 드라이브 기술은 높은 자기력(대략 100,000 N = 10 t)과 함께 언듈레이터 자석 구조 또는 μm 정밀성을 보장하는 약 60kg의 사극자 무버와 같은 무거운 구성요소를 배치할 수 있습니다.”

Suren Karabekyan 박사는 요약한다: “EtherCAT 통신이 우리 시설의 핵심 구성요소입니다. 그것은 우리 시설과 같은 대형 설치에서도 이중화 링 토폴로지로 매우 강력하고 신뢰성 있는 제어 시스템을 구성할 수 있습니다. 결국, 그것은 매우 비용 효율적인 솔루션입니다. 이는 공공기관이 출자하는 연구 프로젝트의 맥락에서 특히 중요합니다. 게다가 우리는 언제든지 Beckhoff 전문가들로부터 항상 최적의 지원을 받았습니다.”