LabVIEW助力CERN反物质实验室科学研究

l  挑战

在科学研究中，精度至关重要，特别是在CERN的AEgIS反物质研究实验中。这个复杂的项目要求设备在纳秒级（ns）别上进行精确协调。此前，研究人员采样手动调整方式，工作繁重且易出错，让他们无法集中精力进行关键的数据分析和进一步实验。

l  解决方案

AEgIS合作团队通过“计算机界面可靠控制、无人监督的科学实验”（CIRCUS）与“科学实验的LabVIEW操作全自动化”（TALOS）系统来应对这些挑战。该系统使用LabVIEW和自动化实验序列所构建，减少了人工干预。LabVIEW的Actor Framework提供了一种强大的分布式控制架构，提高了系统的可靠性、稳定性和效率。

l  探索反物质

反物质是普通物质的镜像，它由质量相同但电荷和性质相反的粒子组成。理解反物质至关重要，因为它可能揭示出宇宙为何主要由物质构成，而不是物质和反物质的等量混合这一关键宇宙学问题的答案。

AEgIS实验旨在利用反物质测试物理学的基本原理，包括反氢在重力作用下的行为。这项研究可能会重新塑造我们对宇宙的认知。然而，与反物质打交道并非易事：这需要极其精确的测量和对极端实验条件（如电磁粒子束缚、接近绝对零度的超高真空环境）的准确控制。为实现这一目标，必须对数百台设备进行完美协调，使它们的运行达到纳秒级精度的同步。这可以比作指挥一场交响乐，每位乐手（在这里指每一台设备）都需以完美的时机和精度奏响各自的乐章，并且每周7天、每天24小时不间断地进行。由此，对先进自动化的需求变得至关重要。

图1 AEgIS反氢生产阱

l  CIRCUS and TALOS

CERN团队认识到手动控制的局限性，故开发了以TALOS和LabVIEW为核心的CIRCUS系统。这个系统彻底改变了他们的操作模式，就像现代自动驾驶系统彻底革新了航空业一样。LabVIEW的集成促成了分布式系统架构的建立，将各个独立设备连接成一个连贯的自动化网络。

TALOS就像这场复杂交响乐的指挥官。它协调实验的各个方面，从控制单个设备到管理和监督整个实验流程。系统中的每个组件都作为微服务运行，提供模块化和灵活性。这种架构意味着实验的不同部分可以单独更新或修改，并且在出现问题时能够立即回滚，而不会导致整个系统故障。这一特性在需要高度适应性、系统运行时间和稳定性至关重要的研究环境中尤为重要。

图2 CIRCUS和TALOS的结构示意图

图2是CIRCUS和TALOS的结构示意图，展示了包括Guardian、微服务、Sinara（AEgIS的FPGA）、ALPACA（分析框架）以及数据采集系统（DAQ）之间的关系。TALOS基于Actor的架构是Guardian（根Actor）与微服务之间接口的基础，这些微服务被封装在所有微服务的父节点（FOAM）中。在每个微服务中，只需实现特定功能的代码。三个重要的微服务：

1.      DAQ管理器：控制与数据采集系统（DAQ）的交互；

2.      Monkey：自动化的核心，负责与ALPACA的接口管理；

3.      Kasli Wrapper：用于处理与FPGA的交互。

l  实验效率显著提升

CIRCUS和基于LabVIEW的框架TALOS的实施显著提升了效率和可靠性。系统最显著的特点之一是其错误管理能力。TALOS包含一个用于编写实验测试脚本的调度器、一个负责执行脚本并进行高级决策的Monkey，以及一个错误管理器，支持用户定义错误条件并制定精准的应对措施，以管理分布式系统中的错误。

图3 CIRCUS执行实验界面

图3其主要界面由TALOS提供，左上角显示了Guardian和微服务的看门狗，右上角显示了错误列表。右侧栏的顶部显示了所选错误的具体细节，其下方是实时日志，展示Kasli的操作活动。该界面在所有实验设备中是统一的。主窗口显示的是Captorius 3 Manager微服务，它负责控制实验主示波器的数据采集。

该系统的自主运行能力，尤其是在夜间和周末，带来了革命性的变化，使得数据能够更连续地收集，同时解放了研究人员，使其能够专注于理论和数据分析工作。从繁重的手动操作转向自动化控制，标志着复杂科学实验方式的一次重大飞跃。

此外，TALOS的精确同步能力与数据反馈（可通过AI解决方案进一步增强）大幅拓展了实验的可能性，显著提升了设备性能，并实现了全新的测量。例如，以前需要数周手动完成的反质子束引导程序，现在可以通过完全自动化在数小时内定期执行，捕获效率提高了100%以上。最具代表性的例子是正电子素激光的逐次自动时间漂移调整：通过将不确定性从约100纳秒降低到几纳秒，TALOS成功实现了世界首例正电子素原子的激光冷却，这一成就在该领域已被追求了30多年。

l  结论

LabVIEW在CERN的AEgIS实验中开发CIRCUS和TALOS系统的应用，是复杂科学研究中先进自动化的成功典范。这项技术不仅通过提高流程的标准化和可重复性、执行低级别的数据质量检查来提升了操作效率和数据质量，还为未来在各类科学和工业应用中的自主控制系统奠定了标准。

 Refernence:

1. Volponi, M., Zieliński J., Rauschendorfer T., Huck S., Caravita R., et al (the AEgIS Collaboration). TALOS (Total Automation of LabVIEW Operations for Science): A framework for autonomous control systems for complex experiments. Rev. Sci. Instrum. 95 (2024); doi: https://doi.org/10.1063/5.0196806.
2. Glöggler, L. T., Gusakova, N., Rienäcker, B., Camper, A., Caravita, R., Huck, S., Volponi, M., et al (the AEgiS Collaboration). Positronium Laser Cooling via the 13S-23P Transition with a Broadband Laser Pulse. Physical Review Letters 132, no. 8 (22 February 2024): 083402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.083402.
3. Volponi, M., Huck S., Caravita R., Zieliński J., Kornakov G., et al (the AEgIS Collaboration). CIRCUS: An Autonomous Control System for Antimatter, Atomic and Quantum Physics Experiments. EPJ Quantum Technology 11, no. 1 (15 February 2024): 10. https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-024-00220-6.
4. Senior Research Fellow, CERN，NI LabVIEW Empowers Scientific Research at CERN’s Antimatter Lab Marco Volponi https://www.ni.com/en/solutions/academic-research/case-studies/labview-automation-empowers-cerns-antimatter-research.html