(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

0 引言

串列升級工程超導(dǎo)增能段的設(shè)計指標(biāo)為2 Mev/q，核心部件由4個四分之一波長的銅基鈮濺射射頻超導(dǎo)腔組成，諧振頻率150.4 MHz，β= 0.1[1]。在銅基腔上濺射一層很薄的鈮膜，大約4～5 μm，當(dāng)銅鈮腔處在4.2 K的低溫環(huán)境中，鈮膜處于超導(dǎo)態(tài)，用很小的射頻功率就能在腔內(nèi)建立較高梯度的高頻電磁場。

在超導(dǎo)腔安裝到加速器上之前，需要對腔的超導(dǎo)性能進(jìn)行準(zhǔn)確測量，以確定是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，為此建立了一套性能測量平臺，對射頻超導(dǎo)腔重要參數(shù)無載品質(zhì)因數(shù)Q0和加速梯度Ea的進(jìn)行評價，要求超導(dǎo)態(tài)下Q0達(dá)到108以上才能滿足要求。由于射頻超導(dǎo)腔的頻帶帶寬很窄，品質(zhì)因數(shù)不能直接測量，而是通過測量功率再進(jìn)行計算得到，再由品質(zhì)因數(shù)計算得到加速梯度。在測量過程中，超導(dǎo)腔處于過耦合狀態(tài)時，獲取射頻超導(dǎo)腔的前行功率Pf、反射功率Pr、pick-up信號，并計算得到pick-up信號功率Pt、射頻超導(dǎo)腔的損耗Pc、衰減時間常數(shù)τ、無載品質(zhì)因數(shù)Q0、有載品質(zhì)因數(shù)QL和加速電場梯度Ea等參數(shù)，要求性能測量系統(tǒng)實(shí)時性高、穩(wěn)定可靠且有很高的精度?；跍y量平臺的應(yīng)用需求，射頻超導(dǎo)腔性能測量過程由計算機(jī)控制，遠(yuǎn)程操作測試過程；圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)應(yīng)用軟件，界面圖形化，程序修改方便；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后用曲線直觀實(shí)時顯示測試結(jié)果，并存入數(shù)據(jù)庫隨時調(diào)用。

1 射頻超導(dǎo)腔性能測量平臺簡介

測量平臺由單腔低溫柜和超導(dǎo)腔性能測量設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 射頻超導(dǎo)腔性能測量平臺結(jié)構(gòu)示意圖

射頻超導(dǎo)腔性能測量時，將腔放置于單腔低溫柜內(nèi)。低溫柜的核心部分利用液氦冷卻以達(dá)到4.2 K的低溫；在低溫柜的外圍真空容器與核心部分間設(shè)置一個利用液氮冷卻的冷屏以降低液氦的熱負(fù)載。在降溫過程中，需要監(jiān)測低溫柜上液氮和液氦出口的氣體壓力以及柜內(nèi)的真空度；使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動機(jī)械耦合器調(diào)節(jié)腔體頻率，驅(qū)動功率耦合器改變耦合狀態(tài)；使用鉑電阻Pt100溫度傳感器監(jiān)測冷屏溫度，保證冷屏內(nèi)液氮充足；lakeshore DT670溫度傳感器監(jiān)測腔體的溫度，確認(rèn)腔是否處于超導(dǎo)態(tài)，同時監(jiān)測液氦罐內(nèi)液氦的儲量，避免由于超導(dǎo)腔的損耗等原因使超導(dǎo)腔內(nèi)沒有充足液氦導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行。單腔低溫柜控制系統(tǒng)硬件使用橫河FA-M3系列可編程控制器(Programmable Logical Controller,PLC)控制設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)抽真空、冷屏預(yù)冷、液氦罐和射頻超導(dǎo)腔腔降溫以及4.2 K低溫環(huán)境建立等功能[2]。

當(dāng)射頻超導(dǎo)腔內(nèi)灌入液氦，維持溫度在4.2 K時，開始腔的超導(dǎo)性能測量。首先將高頻功率通過電容式耦合器把功率耦合進(jìn)腔體，超導(dǎo)腔在射頻功率的驅(qū)動下建立電場。理想狀態(tài)下，超導(dǎo)腔的諧振頻率和高頻功率源的頻率相等，但是由于各種原因會導(dǎo)致超導(dǎo)腔的諧振頻率漂移。低溫下超導(dǎo)腔的Q值很高，頻帶帶寬約為1.44 Hz，這么窄的帶寬會導(dǎo)致超導(dǎo)腔和高頻功率源失諧，雖然有通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械調(diào)諧器調(diào)節(jié)腔體頻率，但是相應(yīng)速度不高，這樣會導(dǎo)致高頻功率很難饋入到腔內(nèi)，因此需要通過過耦合拓寬超導(dǎo)腔的帶寬到大約10 Hz[3]。

當(dāng)腔體里的諧振場完全建立起來后，超導(dǎo)腔進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)，開始射頻超導(dǎo)腔性能參數(shù)測量。從信號源N9310A產(chǎn)生的高頻信號經(jīng)過功率放大器放大后饋入腔內(nèi)，用功率計E4418B分別測量前行功率Pf和反射功率Pr，數(shù)據(jù)采集卡測量pick-up信號和反射功率信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算得到pick-up信號功率Pt、射頻超導(dǎo)腔的損耗Pc、腔的衰減時間常數(shù)τ和耦合系數(shù)β，其中腔耦合系數(shù)選擇過耦合，衰減時間常數(shù)由pick-up信號測量曲線數(shù)據(jù)處理得到。

(1)

Pc=Pf-Pr-Pt

(2)

再由公式(3)～(4)計算得到無載品質(zhì)因數(shù)Q0和加速電場梯度Ea[4-6]。

Q0=2πf(1+β)(1+Pt/Pc)τ

(3)

(4)

其中:A是由腔的幾何形狀決定的常量。

2 基于LabVIEW 的射頻超導(dǎo)腔性能測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

射頻超導(dǎo)腔性能測量系統(tǒng)的硬件由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號發(fā)生器、功率計等設(shè)備組成，其中信號發(fā)生器和功率計設(shè)備的通訊接口為USB，數(shù)據(jù)采集卡通過PCI總線與PC機(jī)通訊；控制軟件要完成2個USB通訊接口的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算得到處理結(jié)果并實(shí)時顯示，要通過EPICS接口與上位機(jī)連接。測量系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)這些功能，利用LabVIEW開發(fā)周期短、編程直觀、便于實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理、提供了豐富的數(shù)據(jù)分析庫函數(shù)，且人機(jī)交互界面直觀友好的特點(diǎn)，設(shè)計了基于LabVIEW的射頻超導(dǎo)腔性能測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制界面和控制程序，達(dá)到了射頻超導(dǎo)腔的性能測量要求。

設(shè)計的射頻超導(dǎo)腔性能測量系統(tǒng)的控制程序主要由5部分組成，包括腔諧振頻率搜索模塊、功率計數(shù)據(jù)采集模塊、測試曲線實(shí)時顯示模塊、時間常數(shù)τ計算模塊、Q0和Ea計算模塊，軟件框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件框圖

在設(shè)計的控制界面上，輸入信號發(fā)生器產(chǎn)生波形的幅度、周期和脈寬等參數(shù)，N9310根據(jù)此信息生成波形并將信號送入功率放大器放大后饋入超導(dǎo)腔；根據(jù)測試需求選擇測量狀態(tài)，此時功率計E4418B傳送射頻功率，數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，程序接收儀器傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理之后以圖形或數(shù)字的形式顯示給操作員。

2.1 電纜校準(zhǔn)

在測量功率時，由于方向耦合器的耦合、電纜和功率計的引入等造成的損耗會影響功率測量值的準(zhǔn)確性。因此，需要在測量前，對功率計在超導(dǎo)腔的工作頻率附近進(jìn)行頻率校準(zhǔn)，然后根據(jù)實(shí)際測量時所需的電纜和雙向耦合器的連接情況，在工作頻率附近離線得到前行功率Pf、反射功率Pr的插損，在測量中用插損值對測量值進(jìn)行校準(zhǔn)得到實(shí)際功率。

2.2 功率計和信號發(fā)生器的數(shù)據(jù)采集

射頻功率信號在饋入射頻超導(dǎo)腔的過程中，傳輸功率進(jìn)入腔內(nèi)建立高頻電場，反射功率從射頻超導(dǎo)腔的功率耦合器反射回來。通過雙向耦合器，傳輸功率和反射功率可以直接利用Agilent雙通道功率計E4418B測量；信號發(fā)生器Agilent N9310A作為射頻信號源，它們都通過USB接口與PC機(jī)通訊。

VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是用來與RS232、GPIB、VXI和USB總線進(jìn)行通信的應(yīng)用編程接口，功率計和信號發(fā)生器都采用VISA的子VI來開發(fā)設(shè)備的labVIEW驅(qū)動[7]，包括打開串口VISA Open.vi，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入指定接口的VISA Write.vi，讀取指定數(shù)量字節(jié)至緩沖區(qū)的VISA Read.vi，以及關(guān)閉打開的串口的VISA Close.vi。功率計E4418B的labVIEW驅(qū)動子VI主要包括設(shè)備初始化initialize.vi，獲得設(shè)備類型Get Sensor Type.vi，測量參數(shù)配置Configure Measurement.vi，參數(shù)極值配置Configure Limits.vi，數(shù)據(jù)讀取Read.vi，關(guān)閉設(shè)備的Close.vi。信號發(fā)生器N9310的LabVIEW驅(qū)動子VI主要包括配置狀態(tài)、頻率和幅度的Configure RF Output.vi，設(shè)置模塊使能的Configure Modulation Enabled.vi，和關(guān)閉設(shè)備的Close.vi。

在編寫功率計程序時，在前面板上預(yù)先配置好儀器的地址和選取的通道，設(shè)備初始化后，獲得設(shè)備型號E4418B，然后配置功率單位、分辨率、測量功能等參數(shù)，以及高低測量功率極值，最后由讀取子VI將功率數(shù)據(jù)取出[8]。對于信號發(fā)生器N9310，首先調(diào)用配置射頻信號輸出VI設(shè)置欲產(chǎn)生信號的頻率和幅度，并配置調(diào)制使能模塊，然后將脈沖周期、脈沖寬度、是否允許脈沖調(diào)制、脈沖調(diào)制信號源是內(nèi)部產(chǎn)生還是外部接入等信息通過VISA寫模塊向儀器寫入產(chǎn)生波形的參數(shù)，儀器根據(jù)這些信息產(chǎn)生所需要的波形[9]，程序如圖3所示。

圖3 信號發(fā)生器N9310的LabVIEW 程序

2.3 射頻超導(dǎo)腔諧振頻率搜索

超導(dǎo)腔內(nèi)高頻電磁場的信號拾取器(Pickup)是一個探針，我們采用的方法是將高頻同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體伸入到射頻超導(dǎo)腔里。射頻功率饋入射頻超導(dǎo)腔內(nèi)建立高頻電場的強(qiáng)弱通過信號拾取器的信號反映出來。信號的包絡(luò)大小隨射頻信號源頻率與超導(dǎo)腔頻率的匹配度變化，當(dāng)信號源頻率與射頻超導(dǎo)腔諧振頻率一致時，探測器pick-up信號達(dá)到最大值，此時射頻功率饋入超導(dǎo)腔內(nèi)最多，腔內(nèi)高頻電場幅度最大，可以開始超導(dǎo)腔性能測量。射頻超導(dǎo)腔的諧振頻率通過數(shù)據(jù)采集卡采集pick-up信號隨信號源頻率變化的關(guān)系曲線得到。

數(shù)據(jù)采集卡選取NISPECTRUM公司的數(shù)據(jù)采集卡M4i.2234，它支持4 路模擬電壓輸入，內(nèi)部使用10 bit 的ADC，最高采樣率可達(dá)2 GHz。反射功率信號由數(shù)據(jù)采集卡通道0采集，探測器pick-up信號由通道1獲得。使用該采集卡的LabVIEW驅(qū)動可以很方便的編寫數(shù)據(jù)采集程序。

首先調(diào)用select.vi和init device.vi打開采集卡并讀出每個模擬輸入通道的設(shè)置信息，包括模擬通道數(shù)量、輸入信號范和ADC的分辨率以及單獨(dú)輸入或差分輸入、DC/AC耦合等參數(shù)的使能信息；然后調(diào)用setup M4i AI channel.vi完成每個通道的初始化設(shè)置，包括1通道使能、單獨(dú)輸入、DC耦合和1 000 mV的測量范圍；接著設(shè)置為單次測量、采樣頻率1 250 MHz、內(nèi)部產(chǎn)生時鐘信號和軟件觸發(fā)10[10]；這些設(shè)置完成后，開始進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。

在諧振頻率附近，設(shè)置搜索頻率范圍，for循環(huán)依次設(shè)置信號發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)波的頻率，采集pick-up信號，用快速希爾伯特變換取出包絡(luò)，經(jīng)中值濾波，得到的復(fù)信號的模的最大值即為該頻率下對應(yīng)的pick-up信號。根據(jù)pick-up信號與對應(yīng)的頻率值的二維數(shù)組，得到pick-up信號最大值對應(yīng)的頻率即為諧振頻率f0=1.504 928*108Hz，程序如圖4所示。

圖4 諧振頻率搜索程序圖

2.4 Q0和Ea計算

公式(4)表明：當(dāng)饋入到腔內(nèi)的射頻功率一定時，具有更高Q0的腔會獲得更高的電磁場強(qiáng)度，即更高的Ea。因此，在對超導(dǎo)腔性能測量進(jìn)行評估時，這兩個參數(shù)至關(guān)重要。

在Q0測量時，信號源輸出周期為2 s、脈寬為0.8 s、幅度為-40 dBm的方波，經(jīng)射頻功率放大器放大后饋入射頻超導(dǎo)腔，數(shù)據(jù)采集卡采集的圖形可以清楚顯示一個方波周期內(nèi)射頻功率開始激勵-穩(wěn)態(tài)-停止輸出的反射波形和pick-up波形的變化。已知當(dāng)射頻功率停止激勵時，射頻超導(dǎo)腔中儲存的功率隨時間常數(shù)τ以指數(shù)函數(shù)衰減， 因此計算pick-up波形尾部從高點(diǎn)下來的指數(shù)函數(shù)即可求得衰減時間常數(shù)τ。

當(dāng)射頻超導(dǎo)腔的溫度維持在4.2 K時，開始自動測量，首先信號源輸出隨頻率變化的連續(xù)波進(jìn)行諧振頻率搜索，得到諧振頻率f0；然后設(shè)置信號源的頻率f0、周期、脈寬、幅度等參數(shù)輸出方波到射頻功率放大器，并通過功率耦合器饋入超導(dǎo)腔；系統(tǒng)讀取功率計讀數(shù)結(jié)合反射功率和入射功率的插損計算出Pf和Pr的值，并根據(jù)公式計算出耦合系數(shù)β值；數(shù)據(jù)采集卡采集pick-up和反射信號的波形并經(jīng)過處理得到τ和功率Pt，根據(jù)這些值計算得到Q0與Ea值。系統(tǒng)總的測量流程如圖5所示。

圖5 射頻超導(dǎo)腔性能測量流程圖

射頻超導(dǎo)腔性能測量界面如圖6所示。由于測量是全自動的，因此在測量之前，需要輸入數(shù)據(jù)采集卡、功率計、方波和功率插損等控制參數(shù)和計算所需的參數(shù)，設(shè)置完成后，進(jìn)入等待采集的狀態(tài)，由操作員控制數(shù)據(jù)的采集過程。在界面點(diǎn)擊“單次測量”按鈕，在前面板實(shí)時顯示一次的測量值和計算結(jié)果。如果操作人員認(rèn)可測量結(jié)果，可以點(diǎn)擊“確認(rèn)結(jié)果”；也可重新進(jìn)行單次測量，直到對測量結(jié)果滿意并退出測量。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)都保存到文件中，方便以后對比和查閱。

圖6 射頻超導(dǎo)腔性能測量界面

從圖中可以看出，射頻超導(dǎo)腔的無載品質(zhì)因數(shù)Q0為1.670 16*108，有載品質(zhì)因數(shù)QL為5.789 89*107，加速梯度Ea為1.225 36 MV/m，性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

LabVIEW 是一種功能強(qiáng)大的圖形化編程軟件，用它的G語言編寫的射頻超導(dǎo)腔性能測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對研制的鈮濺射超導(dǎo)腔進(jìn)行了超導(dǎo)性能測試，通過測量的前行功率和反射功率數(shù)值，以及采集的pick-up信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到了無載品質(zhì)因數(shù)、有載品質(zhì)因數(shù)和加速梯度等參數(shù)。對其它三臺鈮濺射超導(dǎo)腔進(jìn)行了同樣的測試，結(jié)果表明這些超導(dǎo)腔滿足了設(shè)計要求，在工程上已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)證明，該測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，也可應(yīng)用于鍍鉛射頻超導(dǎo)腔和分離環(huán)射頻超導(dǎo)腔性能測試，為以后射頻超導(dǎo)腔研制工作提供了重要測量平臺。