CERN steuert weltgrößten Teilchenbeschleuniger mit der Software NI LabVIEW und PXI-Hardware

Autor(en):

Roberto Losito – CERN
Alessandro Masi – CERN

Bei der Europäischen Organisation für Kernforschung, besser bekannt als CERN, wird das weltweit größte Labor für Teilchenphysik betrieben. Das an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz gelegene CERN wurde 1954 gegründet und dient als Forschungsorganisation, in der Wissenschaftler zusammenkommen, um die Bausteine der Materie und die Kräfte, die sie zusammenhalten, zu untersuchen.

Der LHC soll grundlegende Fragen zum Universum beantworten

Mithilfe von Teilchenbeschleunigern werden im CERN Ionen- oder Protonenstrahlen so gesteuert, dass sie entweder aufeinander oder mit anderen Zielen zusammenprallen. Diese Kollisionen setzen enorme Mengen an Energie frei – genug, um die hochenergetischen Bedingungen nachzubilden, die bei der Entstehung des Universums herrschten. Die bei den Teilchenkollisionen im LHC gesammelten Daten werden wahrscheinlich beispiellose Informationen darüber liefern, wie unser Universum entstanden ist und helfen, Fragen zu beantworten, etwa, warum Teilchen Masse haben und was der Ursprung der dunklen Materie ist.

Der LHC, der einen Umfang von 27 km hat und bis zu 150 m unter der Erde liegt, ist in der Lage, frontale Kollisionen zwischen Teilchenstrahlen zu erzeugen, die sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit bewegen. Um diese Kollisionen zu erzeugen, schickt der LHC zwei Strahlen von Protonen oder anderen positiv geladenen schweren Ionen in entgegengesetzten Richtungen durch den kreisförmigen Tunnel. Supraleitende Magnete, die in einem Superfluid-Heliumbad bei nur 1,9 K (-271 °C oder -456 °F) arbeiten, steuern die Flugbahn der LHC-Strahlen. Die Gesamtenergie in jedem Strahl bei voller Leistung beträgt 350 MJ, also etwa die Energie in einem 400-Tonnen-Zug, der mit 150 km/h fährt, und genügend Energie, um 500 kg Kupfer zu schmelzen.

Die Zuverlässigkeit des Steuersystems ist für die Sicherheit von entscheidender Bedeutung

Angesichts der extrem hohen Energie der Strahlen ist eine absolute Zuverlässigkeit unerlässlich. Ein Strahl, der vom Kurs abkommt, kann katastrophale Schäden am Teilchenbeschleuniger verursachen. Um zu verhindern, dass Teilchen von ihrem beabsichtigten Pfad abweichen, installieren wir mehr als 100 Geräte, die als Kollimatoren bezeichnet werden. Ein Kollimator verwendet Graphitblöcke oder andere schwere Materialien, um energiegeladene Teilchen aus dem nominalen Balkenkern aufzunehmen. Jeder Kollimator wird mit rekonfigurierbaren I/O-Modulen von NI gesteuert, die in separaten NI-PXI-Chassis montiert sind – insgesamt 120 PXI-Systeme. In der Standardkonfiguration steuert ein Chassis bis zu 15 an drei verschiedenen Kollimatoren montierte Schrittmotoren über ein 20-minütiges Motorsteuerungsprofil, um die Graphitblöcke genau und synchron auszurichten, und ein zweites Chassis überprüft die Echtzeitpositionierung der gleichen Kollimatoren. In Phase II des Projekts planen wir, ca. 60 weitere Kollimatoren und ca. 60 PXI-Systeme hinzuzufügen, wodurch wir am Ende über etwa 200 PXI-Systeme verfügen werden.

In den Kollimatoren führen beide PXI-Chassis LabVIEW Real-Time auf dem Controller aus, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, und LabVIEW FPGA auf den rekonfigurierbaren I/O-Geräten in den Peripheriesteckplätzen, um die Kollimatorsteuerung durchzuführen. Wir verwenden das NI SoftMotion Development Module (nicht mehr erhältlich) und rekonfigurierbare Module von NI, um schnell eine benutzerdefinierte Motorsteuerung für etwa 600 Schrittmotoren mit Millisekunden-Synchronisation entlang der 27 km des LHC zu erstellen. Die FPGAs (feldprogrammierbare Gate-Arrays) auf diesen Geräten geben uns das erforderliche Maß an Kontrolle. Wir haben uns für eine Plattform mit LabVIEW und PXI entschieden, da sie kleiner, robuster und kostengünstiger ist als traditionelle Modelle mit VME und SPSen.

Eine Lösung für präzises Timing, Genauigkeit und Zuverlässigkeit

Um die strengen Anforderungen an Timing, Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erfüllen, haben wir uns für ein Motorsteuerungs- und Rückkopplungssystem entschieden, das auf rekonfigurierbarer I/O und LabVIEW FPGA basiert. Wir haben uns für eine Designplattform entschieden, die nur die Funktionen enthält, die wir benötigen, ohne unnötige Kosten hinzuzufügen, und uns dabei geholfen hat, die Erstellung eigener Softwaretreiber zu vermeiden, um den für die Fertigstellung des Systems erforderlichen Personalaufwand zu reduzieren.

Der LHC wurde am 10. September 2008 in Betrieb genommen, woraufhin ein Strahl beschleunigter Protonen in den 17 Meilen langen unterirdischen Tunnel des LHC geschickt wurde und weniger als eine Stunde später erfolgreich eine volle Runde absolvierte, wobei er jeden der entlang des Tunnels verteilten Teilchendetektoren passierte. Wissenschaftler und Forscher weltweit freuen sich darauf, die Geheimnisse über die Bausteine des Universums aufzudecken. 

Informationen zum Autor:

Roberto Losito
CERN
Tel: +41-22-767-6263
roberto.losito@cern.ch