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用LabVIEW开发射频超导谐振腔垂直测量远程测试系统
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摘要： 射频超导谐振腔垂直测量系统涉及到频率、功率、温度、压力等多个参数的测量，为了保证测量的同时性，提高准确性和精度，需要用计算机来进行控制。为此，我们用LabVIEW开发了射频超导谐振腔垂直测量远程测试系统，通过它实现对仪器的远程控制，采集所需数据，经过数据处理后动态地反映测试结果，提高系统运行的效率。本文介绍射频超导谐振腔垂直测量系统的组成和参数测量原理、系统软件体系及主要功能模块的实现。
关键词： 射频超导谐振腔垂直测量低温恒温槽LabVIEW6i
前言
超导体具有诸多奇特物理性质，如无阻载流的能力，一定的抗磁特性，宏观量子相干特性等。超导技术就是利用这些性质而发展起来的一系列应用技术。它在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防、重大科学工程等方面具有重要应用，被认为是21世纪具有战略意义的高新技术。超导材料在温度下降到低于其转变温度时，进入超导状态，此时它的直流电阻趋于0。由超导材料制成的射频超导谐振腔(简称超导腔)，在超导状态下具有表面电阻低、损耗小、品质因数高的特点，它的无载品质因数Q0可以达到很高的值（109~1010量级），因此用很小的入射功率就可在腔内建立起一个非常强的加速电场，用来加速电子或质子。中国科学院高能物理研究所为了发展高能强流质子直线加速器，进行了中β结构高梯度超导腔的预制研究，其中包括了对谐振频率为1.3GHz，β=0.45的纯铌超导腔垂直测量系统的研究和建立。
对超导腔电磁特性的评价可以通过垂直测量获得。垂直测量时，将超导腔垂直放入装有液氦的低温槽内，液氦温度经过减压降温处理可以从常压下的4.2K降到16mbar下的1.8K。由于在测量过程中要求同时测量的参数较多，为了保证测量的同时性，提高准确性和精度，需要用计算机来进行控制。为此，我们用LabVIEW开发了超导腔垂直测量远程测试系统，通过它可以在控制室进行操作，采集所需数据，经过数据处理后用曲线动态地反映每次测试的实时结果，并存入数据文件以备后期使用。
超导腔垂直测量简介
垂直测量系统(图1)主要由三个部分组成：
· 主路： 从信号源（SG）产生的1.3GHz的高频
· 锁相环路： 超导腔的谐振带宽很窄，在2K左右时通常只有几赫兹。而超导腔受温度变化、液氦压力变化以及受洛仑兹力作用的影响会使谐振频率改变，因此需要用锁相环路来使信号源频率跟踪腔的谐振频率。
· 参量测量： 谐振频率f，输入功率Pin，反射功率Pr，传输功率Pt，超导腔温度T，液氦压力Pres，液氦液位L，衰减时间τ。
· 超导腔的表面电阻Rs和无载品质因数Q0是评价超导腔性能的两个重要参数。RS随温度T变化的关系曲线可以对腔的表面状况进行评估，Q0随加速场梯度Eacc的变化关系曲线包含着造成超导腔失超原因的一些信息，是对超导腔性能评价和改进的重要依据。因此我们要测量RS1/T曲线以及Q0睧acc曲线。超导腔的RS、Q0和Eacc不能直接测量，而需要通过上述测量参数计算之后得到：RS=Γ/Q0，Γ为几何因子，只与腔的形状有关。Q0是通过输入功率Pin，反射功率Pr，输出功率Pt和腔的衰减时间τ得到：
Q0=2πf(1+β)(1+PtPc)τ
β=1±Pr/Pin1篜r/Pin正负号的选择由腔的耦合状态决定。
超导腔的损耗PC：PC=Pin-Pr-Pt
超导腔的加速梯度Eacc：Eacc=APCQ0，其中A是由腔的几何形状决定的常量。
由于铌的超导转变温度为9.2K，在测量过程中，谐振腔必须始终浸泡在液氦中，以保证腔始终处于超导状态。另外，超导腔的损耗及低温槽的漏热等，会消耗液氦使之气化，故在测量过程中应对低温恒温槽内的液位进行监视，测量液氦压力Pres和液氦液位L，以确保实验的正常进行。
系统软件体系
超导腔垂直测量系统是一个融合了多学科的系统，它涉及到超导射频、真空和低温等领域。在测量过程中使用了较多的仪器设备来测量频率、功率、温度、压力等，为了更好地实现多个参量的同时测量及对测量过程的监控，我们采用LabVIEW6.1编写了一个远程测试系统软件，通过这个软件实现上述目的。从低温恒温槽内和腔上引出的信号通过传感器和电缆送到仪器上，仪器通过PCI睪PIB卡与计算机相连。每个仪器设定不同的GPIB地址，软件通过指定不同的地址与仪器进行通信。软件与仪器的通信过程分为如下几个步骤：
(1) 仪器的初始化(按址访问)。
(2) 仪器处于listen状态，等待计算机发送指令。
(3) 计算机发送仪器操作指令。
(4) 仪器根据指令进行相应的设置、测量、数据存放等动作。
(5) 计算机发送读取数据指令，使仪器处于talk状态，由计算机接收数据。
(6) 重复步骤(2)(5)，直到测量全部结束。
软件包括一个主模块和4个主要的功能模块：电缆校准模块、液氦传输监视模块、Rs1/T曲线测量模块、Q0睧acc曲线测量模块。在主模块运行时，根据操作员不同的操作，弹出相应的功能模块虚拟面板。操作员在虚拟面板上根据需要改变仪器设置参数和仪器状态，控制仪器的测量操作；输入该模块计算所需的入口参数，接收仪器传来的测试数据并经过处理之后以图形或数字的形式显示给操作员。操作员根据当前的测量状态决定仪器下一步的动作。
电缆校准模块
在测量功率之前，要在工作频率附近进行校准，以消除电缆损耗、方向耦合器的耦合、仪器的插入损耗等对功率测量值的影响。将这些因素对入射功率Pin、反射功率Pr和传输功率Pt的影响分别用校准系数Cin、Cr和Ct表示。电缆校准模块的入口参数为校准过程中测试得到的数据，进行数据处理后得到校准系数在虚拟面板显示，并作为出口参数输出。在垂直测量中用校准系数对测量值进行校准得到实际功率。实际功率值Pin、Pr、Pt与测量值pin、pr、pt的关系为：
Pin=pin*Cin; Pr=pr*Cr;Pt=pt*Ct
液氦传输监视模块
在本模块的虚拟面板(图2)设置液氦监视的时间间隔，在软件运行时每隔规定的时间间隔采集数据，并绘出液氦的液位随时间的实时变化曲线图。同时测量液氦压力、温度作为参考，在虚拟面板以数字的方式显示这些测量值。为了便于实验完成之后查看实验数据，将测量值与计算值按事先约定的格式存放到指定的数据文件中。
液氦的液位由致冷剂监测仪LM500测量。测量时低温槽内的液氦高度不超过两米，而每个液位传感器的长度为1.09米，故需要用两个传感器来测量低温槽中的液氦液位。软件可以分别监控LM500两通道的液氦传感器，当液位超过底部的传感器时，启动上面的传感器并关闭下面的传感器。LM500除了能连续监控液位外，还提供采样保持的功能，可以每隔一定的时间间隔对传感器进行采样。
低温槽内的温度分别用电阻温度计和液氦饱和蒸汽压来测量。电阻温度计采用Pt100铂电阻温度计和铑铁电阻温度计。铂电阻的低温测量可达到13.8K，用来监测向低温槽内灌输液氦过程中的温度变化。而铑铁电阻的低温测量能达到1K，可以用在腔的测量过程中的温度监测。将两个铂电阻、两个铑铁电阻及测量液氦压力的绝对压力计的输出端分别接到Kethley 2700的五组通道上。
Kethley 2700是具有6 1/2位精度的高性能数字多用表/数据采集系统，可以测量直流、交流电压/电流，2线/4线电阻、热电偶、热敏电阻和4线RTD测温。2700的后面板有2个插槽，可插入7700系列的各种开关模块，在此我们选用了可以提供40路差分输入7708的模块。由软件分别定义每一通道测量功能、单位、积分时间、读数格式及分辨率等参数，经过一轮扫描得到各个通道的测量值。软件根据铑铁电阻值与温度的对应关系(如图3所示)分段查表插值、根据液氦饱和蒸汽压与温度的关系公式计算得到相应的温度。
Rs1/T曲线测量模块：
通过减压降温可以使低温恒温槽内的液氦由4.2K下降到2K以下，在这个过程中用本模块进行Rs1/T曲线的测量。软件根据仪器的测量值计算得到Rs值，并实时显示Rs1/T曲线，同时在虚拟面板显示当时的液氦液位。虚拟面板的界面如图4，模块的实现方框图如图5所示。
图4Rs1/T曲线测量模块
图5Rs1/T曲线测量模块实现方框图
在进行数据采集前，在“数据采集设置区”中输入仪器的控制参数和计算所需的入口参数，并选择进行R s 1/T图形显示的温度计。参数设置完成后，进入等待采集的状态。由于腔的测量系统的调整比较复杂，为了更灵活地控制测量过程，对于数据的采集使用手动控制方式。每点击一次“采集”按钮，才进行一组数据的采集，包括：频率F（HP53131A）、传输功率Pt(HP4418B)、输入功率Pin(HP4419B chA)、反射功率Pr(HP4419B chB)、温度T（2700）。
根据测量值虚拟面板以 Cluster的形式集中实时显示由本次测量得到的所有计算结果。此外，将计算得到的Rs值与测量值T的倒数的关系以图形方式显示，Rs坐标轴为对数坐标，1/T为线性坐标。实验中得到的所有数据(包括测量值和计算值)都将存放到数据文件中。在实验结束后，可以提取数据做出相应的曲线进行比较。
Q0睧acc曲线测量模块
低温恒温槽内的温度下降到4.2~1K时，进行Q0睧acc曲线的测量。与Rs1/T曲线测量模块类似，首先在“数据采集设置区”中输入仪器的控制参数和计算所需的入口参数，参数设置完成后，由操作员控制数据的采集过程。测量的结果在前面板(如图6所示)上显示。软件根据仪器的测量值进行数据处理得到Q0与Eacc值，并实时显示Q0睧acc曲线。同时在前面板显示当时的液氦液位。
图6Q0睧acc曲线测量模块
结束语
LabVIEW为NI的软件产品之一，有很强的工程实用性和商业性，可以广泛应用于工业控制领域，测量、仿真等工程项目。用LabVIEW开发的超导谐振腔垂直测量远程测试系统，可以在控制室远程控制多个仪器，实现实时的数据测量和处理，提高系统运行的灵活性、可靠性和效率。
致谢
作者对中科院高能物理研究所的赵升初研究员、方守贤院士的帮助表示诚挚的感谢，并感谢加速器中心超导组全体成员的支持。
参考文献
[1] Padamess,H., “RF superconductivity for accelerator”, New York：Wiley，1998c.
[2] Yuko, Kijima, “The vertical test manual of the superconducting cavity”, 1999
[3] LabVIEWTM User Manual, National Instruments, January, 1998
[4] E4418B Power Meter User’s Guide, Agilent Technologies
[5] E4418B Power Meter Programming Guide, Agilent Technologies
[6] E4419B Power Meter User’s Guide, Agilent Technologies
[7] E4419B Power Meter Programming Guide, Agilent Technologies
[8] HP 53131A/132A 225MHz Universal Counter Operating Guide, Hewlett PACkard
[9] 2700数据采集/程控开关/数字多用表中文使用手册，Keithley公司
关键词： 射频超导谐振腔垂直测量低温恒温槽LabVIEW6i
前言
超导体具有诸多奇特物理性质，如无阻载流的能力，一定的抗磁特性，宏观量子相干特性等。超导技术就是利用这些性质而发展起来的一系列应用技术。它在能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防、重大科学工程等方面具有重要应用，被认为是21世纪具有战略意义的高新技术。超导材料在温度下降到低于其转变温度时，进入超导状态，此时它的直流电阻趋于0。由超导材料制成的射频超导谐振腔(简称超导腔)，在超导状态下具有表面电阻低、损耗小、品质因数高的特点，它的无载品质因数Q0可以达到很高的值（109~1010量级），因此用很小的入射功率就可在腔内建立起一个非常强的加速电场，用来加速电子或质子。中国科学院高能物理研究所为了发展高能强流质子直线加速器，进行了中β结构高梯度超导腔的预制研究，其中包括了对谐振频率为1.3GHz，β=0.45的纯铌超导腔垂直测量系统的研究和建立。
对超导腔电磁特性的评价可以通过垂直测量获得。垂直测量时，将超导腔垂直放入装有液氦的低温槽内，液氦温度经过减压降温处理可以从常压下的4.2K降到16mbar下的1.8K。由于在测量过程中要求同时测量的参数较多，为了保证测量的同时性，提高准确性和精度，需要用计算机来进行控制。为此，我们用LabVIEW开发了超导腔垂直测量远程测试系统，通过它可以在控制室进行操作，采集所需数据，经过数据处理后用曲线动态地反映每次测试的实时结果，并存入数据文件以备后期使用。
超导腔垂直测量简介
垂直测量系统(图1)主要由三个部分组成：
· 主路： 从信号源（SG）产生的1.3GHz的高频
· 锁相环路： 超导腔的谐振带宽很窄，在2K左右时通常只有几赫兹。而超导腔受温度变化、液氦压力变化以及受洛仑兹力作用的影响会使谐振频率改变，因此需要用锁相环路来使信号源频率跟踪腔的谐振频率。
· 参量测量： 谐振频率f，输入功率Pin，反射功率Pr，传输功率Pt，超导腔温度T，液氦压力Pres，液氦液位L，衰减时间τ。
· 超导腔的表面电阻Rs和无载品质因数Q0是评价超导腔性能的两个重要参数。RS随温度T变化的关系曲线可以对腔的表面状况进行评估，Q0随加速场梯度Eacc的变化关系曲线包含着造成超导腔失超原因的一些信息，是对超导腔性能评价和改进的重要依据。因此我们要测量RS1/T曲线以及Q0睧acc曲线。超导腔的RS、Q0和Eacc不能直接测量，而需要通过上述测量参数计算之后得到：RS=Γ/Q0，Γ为几何因子，只与腔的形状有关。Q0是通过输入功率Pin，反射功率Pr，输出功率Pt和腔的衰减时间τ得到：
Q0=2πf(1+β)(1+PtPc)τ
β=1±Pr/Pin1篜r/Pin正负号的选择由腔的耦合状态决定。
超导腔的损耗PC：PC=Pin-Pr-Pt
超导腔的加速梯度Eacc：Eacc=APCQ0，其中A是由腔的几何形状决定的常量。
由于铌的超导转变温度为9.2K，在测量过程中，谐振腔必须始终浸泡在液氦中，以保证腔始终处于超导状态。另外，超导腔的损耗及低温槽的漏热等，会消耗液氦使之气化，故在测量过程中应对低温恒温槽内的液位进行监视，测量液氦压力Pres和液氦液位L，以确保实验的正常进行。
系统软件体系
超导腔垂直测量系统是一个融合了多学科的系统，它涉及到超导射频、真空和低温等领域。在测量过程中使用了较多的仪器设备来测量频率、功率、温度、压力等，为了更好地实现多个参量的同时测量及对测量过程的监控，我们采用LabVIEW6.1编写了一个远程测试系统软件，通过这个软件实现上述目的。从低温恒温槽内和腔上引出的信号通过传感器和电缆送到仪器上，仪器通过PCI睪PIB卡与计算机相连。每个仪器设定不同的GPIB地址，软件通过指定不同的地址与仪器进行通信。软件与仪器的通信过程分为如下几个步骤：
(1) 仪器的初始化(按址访问)。
(2) 仪器处于listen状态，等待计算机发送指令。
(3) 计算机发送仪器操作指令。
(4) 仪器根据指令进行相应的设置、测量、数据存放等动作。
(5) 计算机发送读取数据指令，使仪器处于talk状态，由计算机接收数据。
(6) 重复步骤(2)(5)，直到测量全部结束。
软件包括一个主模块和4个主要的功能模块：电缆校准模块、液氦传输监视模块、Rs1/T曲线测量模块、Q0睧acc曲线测量模块。在主模块运行时，根据操作员不同的操作，弹出相应的功能模块虚拟面板。操作员在虚拟面板上根据需要改变仪器设置参数和仪器状态，控制仪器的测量操作；输入该模块计算所需的入口参数，接收仪器传来的测试数据并经过处理之后以图形或数字的形式显示给操作员。操作员根据当前的测量状态决定仪器下一步的动作。
电缆校准模块
在测量功率之前，要在工作频率附近进行校准，以消除电缆损耗、方向耦合器的耦合、仪器的插入损耗等对功率测量值的影响。将这些因素对入射功率Pin、反射功率Pr和传输功率Pt的影响分别用校准系数Cin、Cr和Ct表示。电缆校准模块的入口参数为校准过程中测试得到的数据，进行数据处理后得到校准系数在虚拟面板显示，并作为出口参数输出。在垂直测量中用校准系数对测量值进行校准得到实际功率。实际功率值Pin、Pr、Pt与测量值pin、pr、pt的关系为：
Pin=pin*Cin; Pr=pr*Cr;Pt=pt*Ct
液氦传输监视模块
在本模块的虚拟面板(图2)设置液氦监视的时间间隔，在软件运行时每隔规定的时间间隔采集数据，并绘出液氦的液位随时间的实时变化曲线图。同时测量液氦压力、温度作为参考，在虚拟面板以数字的方式显示这些测量值。为了便于实验完成之后查看实验数据，将测量值与计算值按事先约定的格式存放到指定的数据文件中。
液氦的液位由致冷剂监测仪LM500测量。测量时低温槽内的液氦高度不超过两米，而每个液位传感器的长度为1.09米，故需要用两个传感器来测量低温槽中的液氦液位。软件可以分别监控LM500两通道的液氦传感器，当液位超过底部的传感器时，启动上面的传感器并关闭下面的传感器。LM500除了能连续监控液位外，还提供采样保持的功能，可以每隔一定的时间间隔对传感器进行采样。
低温槽内的温度分别用电阻温度计和液氦饱和蒸汽压来测量。电阻温度计采用Pt100铂电阻温度计和铑铁电阻温度计。铂电阻的低温测量可达到13.8K，用来监测向低温槽内灌输液氦过程中的温度变化。而铑铁电阻的低温测量能达到1K，可以用在腔的测量过程中的温度监测。将两个铂电阻、两个铑铁电阻及测量液氦压力的绝对压力计的输出端分别接到Kethley 2700的五组通道上。
Kethley 2700是具有6 1/2位精度的高性能数字多用表/数据采集系统，可以测量直流、交流电压/电流，2线/4线电阻、热电偶、热敏电阻和4线RTD测温。2700的后面板有2个插槽，可插入7700系列的各种开关模块，在此我们选用了可以提供40路差分输入7708的模块。由软件分别定义每一通道测量功能、单位、积分时间、读数格式及分辨率等参数，经过一轮扫描得到各个通道的测量值。软件根据铑铁电阻值与温度的对应关系(如图3所示)分段查表插值、根据液氦饱和蒸汽压与温度的关系公式计算得到相应的温度。
Rs1/T曲线测量模块：
通过减压降温可以使低温恒温槽内的液氦由4.2K下降到2K以下，在这个过程中用本模块进行Rs1/T曲线的测量。软件根据仪器的测量值计算得到Rs值，并实时显示Rs1/T曲线，同时在虚拟面板显示当时的液氦液位。虚拟面板的界面如图4，模块的实现方框图如图5所示。
图4Rs1/T曲线测量模块
图5Rs1/T曲线测量模块实现方框图
在进行数据采集前，在“数据采集设置区”中输入仪器的控制参数和计算所需的入口参数，并选择进行R s 1/T图形显示的温度计。参数设置完成后，进入等待采集的状态。由于腔的测量系统的调整比较复杂，为了更灵活地控制测量过程，对于数据的采集使用手动控制方式。每点击一次“采集”按钮，才进行一组数据的采集，包括：频率F（HP53131A）、传输功率Pt(HP4418B)、输入功率Pin(HP4419B chA)、反射功率Pr(HP4419B chB)、温度T（2700）。
根据测量值虚拟面板以 Cluster的形式集中实时显示由本次测量得到的所有计算结果。此外，将计算得到的Rs值与测量值T的倒数的关系以图形方式显示，Rs坐标轴为对数坐标，1/T为线性坐标。实验中得到的所有数据(包括测量值和计算值)都将存放到数据文件中。在实验结束后，可以提取数据做出相应的曲线进行比较。
Q0睧acc曲线测量模块
低温恒温槽内的温度下降到4.2~1K时，进行Q0睧acc曲线的测量。与Rs1/T曲线测量模块类似，首先在“数据采集设置区”中输入仪器的控制参数和计算所需的入口参数，参数设置完成后，由操作员控制数据的采集过程。测量的结果在前面板(如图6所示)上显示。软件根据仪器的测量值进行数据处理得到Q0与Eacc值，并实时显示Q0睧acc曲线。同时在前面板显示当时的液氦液位。
图6Q0睧acc曲线测量模块
结束语
LabVIEW为NI的软件产品之一，有很强的工程实用性和商业性，可以广泛应用于工业控制领域，测量、仿真等工程项目。用LabVIEW开发的超导谐振腔垂直测量远程测试系统，可以在控制室远程控制多个仪器，实现实时的数据测量和处理，提高系统运行的灵活性、可靠性和效率。
致谢
作者对中科院高能物理研究所的赵升初研究员、方守贤院士的帮助表示诚挚的感谢，并感谢加速器中心超导组全体成员的支持。
参考文献
[1] Padamess,H., “RF superconductivity for accelerator”, New York：Wiley，1998c.
[2] Yuko, Kijima, “The vertical test manual of the superconducting cavity”, 1999
[3] LabVIEWTM User Manual, National Instruments, January, 1998
[4] E4418B Power Meter User’s Guide, Agilent Technologies
[5] E4418B Power Meter Programming Guide, Agilent Technologies
[6] E4419B Power Meter User’s Guide, Agilent Technologies
[7] E4419B Power Meter Programming Guide, Agilent Technologies
[8] HP 53131A/132A 225MHz Universal Counter Operating Guide, Hewlett PACkard
[9] 2700数据采集/程控开关/数字多用表中文使用手册，Keithley公司
