一、概述

磁场精密测量在加速器技术中是一个非常重要的环节。在加速器建造、调束和运行过程中必须***了解磁铁参数，才能确保加速器的性能。通常，这些参数应包括它的有效长度、场强及高次谐波。由于磁铁材料和加工制造等原因不可避免的带来批量磁铁性能上的差异，这就要求对每块磁铁在不同电流下进行积分测量和场分布测量，因此，对磁铁的磁场测量提出了要求：精密、稳定、快速、自动化。

1999年初至2002年6月中科院高能物理研究所与美国SLAC实验室的所际国际合作项目即SPEAR3同步光源改造项目，高能所为SPEAR3加工制造292块磁铁并进行全部磁场测量，这些磁铁包括：二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁、H/V校正二极磁铁。加速器中心磁铁组承担了全部的磁铁测量工作。

为了完成美国SPEAR3 工程项目中102块四极磁铁、76块六极磁铁以及74块H/V校正二极磁铁的磁场测量工作，根据美方的磁场测量技术要求，自1999年底开始调研、设计旋转线圈测量系统，编写磁铁励磁电源控制、步进电机驱动和控制、数据采集、数据分析软件。为了保证磁铁测量工作的顺利完成，尽可能采用标准接插件，组成了以美国NI公司的NI-PCI-GPIB控制卡、步进电机控制卡和转接卡以及研翔公司的数字I/O板PCL-730等硬件标准接插件为主，LabVIEW为软件开发环境的一套自动化、稳定性较高的用于美国磁铁旋转测量测磁软件。

二、磁场谐波测量系统

1、测量原理：

磁场谐波测量采用双线圈差分测量模式，测量线圈由主线圈和反抵线圈组成。以四极磁铁为例，由于高次谐波较小，仅占主四极场的万分之几，如果采用单线圈***测量法测量磁场高次谐波，将很难达到较高测量精度，因此，我们采用一个反抵线圈将主线圈中的二极分量、四极分量抵消，而采用高放大倍数，只对剩余的高次谐波进行测量，从而可以提高了测量精度。将测量线圈插入磁铁孔径中，以恒定的角速度旋转切割径磁场 ，每转动一个小角度，编码器就产生一个脉冲，随后将旋转线圈感应的电压信号通过快速付里叶分析（FFT）和数学计算，可以得到磁场高次谐波和基波的比值Bn/B2。

2、系统的硬件结构：

图1 磁铁旋转测量装置硬件系统

系统的硬件流程图如图1所示。主要包括以下几大部分组成：

（1）旋转测量线圈：炮筒式结构。采用双线圈反抵差分测量。

（2）角度编码器。

（3）高精度数字积分器：PDI 5025。

（4）数字电压表：HP34401A。

（5）步进电机驱动器：CMD-260步进电机驱动器为先进的微分步进电机驱动器，将电机的机械整步细分成许多微步，从而达到平滑低频振动以及降低噪音。

（6）步进电机控制卡：NI Value Motion。两轴步进开环控制。

（7）励磁电源：300A/150V, 电源稳定度好于 1×10-4。

（8）测量系统支撑结构。

（9）586工控机。

（10）线圈状态选择器：自行研制。

本系统通过PCI-GPIB标准接口将数字积分器接收到的被测磁铁的感应电压信号以及数字多用表获得的磁铁励磁电源的电压值传给计算机。586工控机内插有标准的通信接口，为系统采集、数据传输和存储提供了方便，保障了系统的稳定性。数据文件可直接打印出来。监控计算机可通过局域网实时查看当前测量数据和历史数据，以便快速地解决测量中出现的问题并及时反馈给操作者。