El CERN Utiliza el Software LabVIEW y el Hardware PXI de NI para el Control del Acelerador de Partículas Más Grande del Mundo

Alessandro Masi, CERN

"Hemos elegido la solución basada en LabVIEW y PXI para el despliegue de la plataforma debido a su pequeño tamaño, robustez y reducción de gastos en relación a los modelos tradicionales basados en VME y controladores de lógica programable."

- Alessandro Masi, CERN

El Reto:

La medida y control en tiempo real de la posición de la mayor parte componentes para la absorción de las partículas energéticas fuera del núcleo del haz nominal con alta fiabilidad y precisión en el más poderoso acelerador de partículas del mundo, el LHC (Large Hadron Collider).

La Solución:

Utilizar LabVIEW, LabVIEW Real-Time Module, LabVIEW FPGA Module y el software NI SoftMotion con el hardware de entradas/salidas reconfigurables de la Serie R de NI para PXI con el fin de desarrollar un sistema de control de movimiento basado en FPGA, capaz de interceptar haces de partículas inestables o mal guiadas.

Autor(es):

Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN

 

La Organización Europea para la Investigación Nuclear, más conocida como CERN, es el laboratorio de física de partículas más grande del mundo. Situado en la frontera entre Francia y Suiza, el CERN fue fundada en 1954 y funciona como una organización de investigación donde los científicos se reúnen para estudiar los elementos básicos de la materia y las fuerzas que los mantienen unidos.

 

El LHC espera responder a preguntas fundamentales sobre el Universo

El CERN se basa en máquinas llamadas aceleradores de partículas que hacen chocar haces de iones o de protones unos contra otros o contra otros blancos. Estas colisiones liberan enormes cantidades de energía - suficiente como para recrear las condiciones de alta energía que existieron durante la formación del universo. Los datos recogidos de las colisiones de partículas en el LHC proporcionarán probablemente una información sin precedentes acerca de cómo nuestro universo llegó a existir y ayudará a responder preguntas tales como ¿por qué las partículas tienen masa? y ¿cuál es el origen de la materia oscura?

 

El LHC, que tiene una circunferencia de 27 km y está enterrado hasta 150m bajo tierra, es capaz de producir colisiones frontales entre haces de partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz. Para producir estas colisiones, el LHC envía dos haces de protones o de otros iones pesados de carga positiva dentro del túnel circular en direcciones opuestas. Los imanes superconductores que funcionan en un baño de helio superfluido a tan solo 1,9ºK (-271ºC o -456ºF) controlan la trayectoria de los haces del LHC. El total de energía de cada haz a la máxima potencia es de 350MJ, que es aproximadamente la energía de un tren de 400 toneladas viajando a 150km/h y la suficiente energía como para derretir 500kg de cobre.

 

La fiabilidad del sistema de control es crítica para la seguridad

Debido a los extremadamente niveles altos de energía de los haces, la fiabilidad es fundamental. Un haz que viaje fuera de su camino puede causar daños catastróficos al colisionador. Para evitar que las partículas se desvíen de su camino se están instalando más de 100 dispositivos llamados colimadores. Un colimador utiliza bloques de grafito u otros materiales pesados para absorber las partículas energéticas fuera de su haz central nominal. Cada colimador se controla mediante módulos de entradas/salidas reconfigurables montados en chasis separados PXI de NI para trabajar en modo de redundancia con un total de 120 sistemas PXI.

 

En la configuración estándar, un chasis controla hasta 15 motores paso a paso montados en tres diferentes colimadores a través de un perfil de movimiento de 20 minutos para alinear con precisión y sincronismo los bloques de grafito y un segundo chasis comprueba la posición en tiempo real de dichos colimadores. En la fase II del proyecto, se planea añadir unos 60 colimadores más y aproximadamente 60 sistemas PXI para llegar a un total de alrededor de 200 sistemas PXI.

 

En un colimador dado, ambos chasis PXI ejecutan NI LabVIEW Real-Time en el controlador para obtener fiabilidad y LabVIEW FPGA en los dispositivos de entradas/salidas reconfigurables de los slots de los periféricos para llevar a cabo el control del colimador. Se utilizó NI SoftMotion Development Module y los módulos reconfigurables de NI para crear rápidamente un controlador de movimiento personalizable de aproximadamente 600 motores paso a paso con una sincronización de milisegundos a lo largo de los más de 27km del LHC. Las FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) de estos dispositivos nos proporcionan el nivel de control que necesitamos. Se ha seleccionado la solución de LabVIEW y PXI para el despliegue de la plataforma debido a su pequeño tamaño, robustez y reducción de gastos en relación a los modelos tradicionales basado en VME y controlador de lógica programable.

 

Una solución para obtener una sincronización exacta, precisión y fiabilidad

Para cumplir con los estrictos requisitos de sincronización, precisión y fiabilidad, se eligió un sistema de control de movimiento y realimentación basado en entradas/salidas reconfigurables y LabVIEW FPGA. Hemos seleccionado una plataforma de diseño que incorporó sólo las funciones que se necesitaban sin añadir costes innecesarios y que nos ayudó a evitar la creación de nuestros propios drivers del software con el fin de reducir la mano de obra necesaria para completar el sistema.

 

El LHC está previsto que comience a funcionar en el verano de 2008, y los científicos e investigadores de todo el mundo están muy contentos de comenzar a explorar los elementos básicos del universo utilizando el LHC.

 

Información del Autor:

Roberto Losito
CERN
roberto.losito@cern.ch

Los imanes superconductores controlan la trayectoria de los haces que contienen la suficiente energía como para derretir 500kg de cobre.