Le CERN utilise le logiciel NI LabVIEW et du matériel PXI de NI pour contrôler le plus grand accélérateur de particules du monde

Roberto Losito, CERN

"Nous avons choisi LabVIEW et le PXI en tant que plate-forme de déploiement car ils offrent un format plus compact, une plus grande robustesse et un meilleur rapport qualité-prix comparés aux systèmes VME classiques et aux modèles de logique programmable basés contrôleur."

- Roberto Losito, CERN

Le défi:

Mesurer et contrôler, en temps réel, la position des éléments lourds pour absorber avec fiabilité et précision les particules d’énergie s’échappant du faisceau central, au sein du LHC (Large Hadron Collider, grand collisionneur de hadrons), l'accélérateur de particules le plus puissant au monde.

La solution​:

Utiliser LabVIEW, le Module LabVIEW Real-Time, le Module LabVIEW FPGA et le driver NI SoftMotion avec les matériels d'E/S reconfigurables de la Série R de NI pour le PXI, afin de développer un système de commande d'axes à base de FPGA, capable d'intercepter les faisceaux de particules mal guidés ou instables.

Auteur(s):

Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN

 

Le Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) est le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. Fondé en 1954 et situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, le CERN est une organisation pour la recherche où les scientifiques se réunissent pour étudier les constituants fondamentaux de la matière et les forces qui les unissent.

 

 

Le LHC devrait répondre aux questions fondamentales que nous nous posons sur l’univers

Le CERN utilise des machines appelées accélérateurs de particules pour que des faisceaux d’ions ou de protons entrent en collision entre eux ou avec des cibles fixes. Ces collisions libèrent d’énormes quantités d’énergie : suffisamment pour reconstituer les conditions dans lesquelles l’univers s’est formé. Les données issues des collisions de particules au sein du LHC fourniront certainement des informations inédites sur les circonstances de la création de notre univers et permettront d’aider les scientifiques à résoudre des questions sur l'origine de la masse des particules ou de la matière noire.

 

Le LHC, qui a une circonférence de 27 kilomètres et se trouve enterré à 150 mètres sous terre, est capable de faire entrer en collision frontale des faisceaux de particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Pour que cette collision ait lieu, le LHC fait circuler à l’intérieur du tunnel circulaire, en sens opposé, deux faisceaux de protons ou d’ions lourds chargés positivement. La trajectoire des faisceaux est contrôlée par des aimants supraconducteurs qui sont refroidis par un système de distribution d’hélium superfluide à – 271 °C. À pleine puissance, chaque faisceau contient une énergie totale de 350 MJ, soit environ la même énergie qu’un train de 400 tonnes lancé à 150 km/h, ou encore une énergie suffisante pour faire fondre 500 kg de cuivre.

 

La fiabilité du système de contrôle est indispensable pour garantir la sécurité

Le niveau extrêmement élevé de l'énergie contenue dans ces faisceaux fait de la fiabilité un critère essentiel. La dérive d’un faisceau hors de sa trajectoire pourrait causer des dommages catastrophiques au collisionneur. Pour empêcher les particules de dévier de leur trajectoire, plus de 100 appareils, appelés collimateurs, ont été installés. Un collimateur utilise des blocs de graphite ou d’autres matériaux lourds pour absorber les particules d’énergie échappées du faisceau principal. Chaque collimateur est contrôlé par les modules d’E/S reconfigurables montés sur des châssis PXI de NI, avec un total de 120 systèmes PXI afin d’assurer la redondance du système. Dans la configuration standard, un châssis contrôle jusqu’à 15 moteurs pas à pas montés sur trois collimateurs distincts, sur un profil de commande d’axes de 20 minutes, afin d'aligner les blocs de graphite de manière précise et synchrone. Un second châssis vérifie le positionnement en temps réel de ces mêmes collimateurs. Dans la deuxième phase du projet, nous prévoyons d’ajouter environ 60 collimateurs et 60 systèmes PXI supplémentaires, ce qui nous donnera un total de près de 200 systèmes PXI.

 

Dans chaque collimateur, les deux châssis PXI exécutent le Module LabVIEW Real-Time sur le contrôleur, ce qui assure la fiabilité, et le Module LabVIEW FPGA sur les périphériques d'E/S reconfigurables insérés dans les emplacements prévus à cet effet, ce qui assure le contrôle du collimateur. Nous utilisons le Module NI SoftMotion Development et les modules reconfigurables de NI pour créer rapidement un contrôleur d'axes personnalisé pour environ 600 moteurs pas à pas, avec une synchronisation à la milliseconde sur les 27 kilomètres du LHC. Les FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) de ces appareils apportent le niveau de contrôle que nous exigeons. Nous avons choisi LabVIEW et le PXI en tant que plate-forme de déploiement car ils offrent un format plus compact, une plus grande robustesse et un meilleur rapport qualité-prix comparés aux systèmes VME classiques et aux modèles de logique programmable basés contrôleur.

 

 

Une solution offrant fiabilité, précision et synchronisation

Afin de satisfaire nos besoins en matière de synchronisation, de précision et de fiabilité, nous avons sélectionné un système de contrôleur d’axes et de retour basé sur des E/S reconfigurables et sur le Module LabVIEW FPGA. Nous avons opté pour une plate-forme de conception n'intégrant que les fonctionnalités nous étant nécessaires, ce qui nous a épargné d’inutiles surcoûts ainsi que la création de drivers personnalisés. Nous avons pu ainsi réduire la main d’œuvre travaillant au développement du système.

 

Chercheurs et scientifiques du monde entier sont très enthousiastes à l'idée d'explorer les composantes fondamentales de l’univers grâce au LHC, qui est entré en fonctionnement début septembre 2008.

 

Informations sur l’auteur:

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

The Large Hadron Collider (LHC), which is 27 km in circumference and buried up to 150 m underground, will produce collisions between particle beams traveling at nearly the speed of light.
Superconducting magnets are used to control the trajectory of the beams, which contain enough energy to melt 500 kg of copper.