二次声技术定位超导腔失超位置
引言
在超导射频(SRF)腔体的研究中，准确检测和定位失超（quench）事件至关重要。本文将探讨二次声系统如何应用于这一领域，以及其在定位超导腔失超方面的技术细节和研究成果。
什么是二次声？
二次声是一种由温度驱动的熵波，主要在超流体氦中传播。其传播速度在2K时约为20米/秒。当超导腔体发生失超时，会产生二次声波，通过测量传感器位置的运行时间，可以最小化球面误差函数（RMSE），从而实现失超位置的精确定位。
二次声系统的关键组件：振荡超漏传感器(OST)
OST基于电容麦克风的原理工作，其电极由黄铜体和多孔膜组成。只有超流体氦能够进入孔中，因为其粘度接近于零。OST通过检测二次声波来改变电容值，从而实现失超位置的检测。它基于超流体氦的特性来工作。以下是OST的工作原理的详细解释：
OST的基本构造
OST由以下几个主要部分组成：
- 电容极板：通常是一个铝涂层的塑料薄膜，薄膜上有许多微米级别的小孔。
- 多孔“超漏”膜：这个膜允许超流体氦通过，而正常流体氦则不能。
- 金属外壳和盖子：为传感器提供结构支持，并保持内部的密封环境。
- SMA连接器：用于将传感器连接到外部电路。
OST的工作原理
超流体和正常流体氦：在超导腔体中，液氦处于超流体状态，这意味着它具有零粘度，并且能够无摩擦地通过极小的孔隙。当温度低于液氦的lambda点（约2.18 K）时，液氦会表现出超流体和正常流体两种组分。
失超事件：当超导腔体发生失超时，腔体突然从超导状态转变为正常导电状态，这个过程中会释放大量的能量，导致局部温度上升。
二次声波的产生：失超事件导致局部温度上升，从而在液氦中产生一个温度波（即二次声波）。这个波以一定的速度（在2K时约为20米/秒）在液氦中传播。
OST的响应：当二次声波到达OST时，由于温度的上升，超流体氦会从OST的电容极板中流出，而正常流体氦不能通过微孔进入以补充。由于超冷氦不能容忍总体密度的损失，电容体积减小以补偿，导致电容极板间距变化。
电容变化：随着电容体积的减小，电容值增加，电压降低。这种电容和电压的变化被外部电路检测到，从而提供了失超事件的信号。
定位失超点：通过测量多个OST传感器的信号，可以确定失超点的位置。每个OST传感器都会在其检测到二次声波时产生一个信号，通过比较这些信号的到达时间，可以计算出失超点相对于各个传感器的位置。
技术实现与研究进展
系统设计
- 信号采集与放大：通过低噪声、即插即用的8通道放大器，实现高达18个信号的同时采集。
- 定位算法：通过多边测量（trilateration）和光线追踪（ray tracing）算法，计算从失超点到每个OST的最短路径，实现精确定位。
- 3D模拟：使用3D模拟来确定二次声从失超点到每个OST的最短路径，并将结果存储在2D矩阵中，以便在二次声测试中使用。
研究成果
- 精确度：通过对称放置OST和精确的信号运行时间推断，实现了低于10毫米的最佳分辨率。
- 系统验证：通过测试9-cell腔体，验证了硬件和算法的有效性，失超定位精度与直接温度测量结果一致。
- 多OST系统：为系列生产的XFEL腔体开发了多OST系统，适用于不同形状和大小的腔体。
软件与算法
- MatLab代码：在GitHub上提供了MatLab代码，用于执行最密集的计算，如构建图形和计算失超图。
- GUI开发：开发了用户友好的软件环境，包括OST坐标定义、信号运行时间推断和失超点查找。
结论
二次声系统为超导腔失超定位提供了一种优雅且具有巨大潜力的方法。精确的OST定位、信号运行时间的准确推断以及通过已知二次声波起源的校准方法的开发，都是实现高精度失超定位的关键。
参考文献：
B. Bein, “Systematic Studies of a Cavity Quench Localization System,” M.S. Thesis, University of Hamburg, 2019, DESY-THESIS-2019-010.
Y. Tamashevich, “ADVANCED OST SYSTEM FOR THE SECOND-SOUND TEST OF FULLY DRESSED CAVITIES,” Helmholtz-Zentrum Berlin for Materials and Energy (HZB), Berlin, Germany, also at University of Hamburg/DESY, Hamburg, Germany, yegor.tamashevich@helmholtz-berlin.de.
Hegny, “Second Sound Quench Detection,” GitHub repository, 2017.