欧州​原子核​研究​機構​(CERN)​が​NI LabVIEW​ソフトウェア​と​PXI​ハードウェア​を​使用​し​て​世界​最大​の​粒子​加速器​を​制御

Roberto Losito, CERN

"実装​プラットフォーム​として​LabVIEW​と​PXI​を​選​ん​だ​の​は、​従来​の​VME​および​プログラマブル​ロジック​コントローラ​(PLC)​を​使用​した​モデル​に​比べ、​小型​で​あり​ながら​堅牢​性​が​高​く、​コスト​も​抑え​られる​ため​です。" ​

- Roberto Losito, CERN

課題:

世界​最大​の​粒子​加速器、​大型​ハドロン​衝突​型​加速器​(LHC)​で、​バルク​部品​の​位置​を​リアルタイム​で​計測・​制御​し、​ビーム​コア​から​エネルギー​粒子​を​高信頼​性・​高​精度​で​吸収​する。 ​

ソリューション:

LabVIEW、​LabVIEW Real-​Time​モジュール、​LabVIEW FPGA​モジュール、​NI SoftMotion​ソフトウェア​を​PXI​用​NI R​シリーズ​再​構成​可能​I/​O​ハードウェア​とともに​使用​し、​誤​っ​た​粒子​ビーム​や​不安定​な​粒子​ビーム​が​悪影響​を​も​たら​さ​ない​よう​に​する​FPGA​ベース​の​モーション​コントロール​システム​を​開発​する。 ​

作成​者:

Roberto Losito - CERN
​Alessandro Masi - CERN

 

欧州​原子核​研究​機構​(CERN)​は、​世界​最大​の​素粒子​物理​学​研究所​です。​フランス​と​スイス​の​国境​沿い​に​位置​する​CERN​は、​1954​年に設立され、​物質​を​構成​する​要素​と​それ​を​結び付ける​力​について​研究​し​てい​ます。

 

 

宇宙​に関する​根本​的​な​疑問​へ​の​答え​を​LHC​に​期待

CERN​では、​イオン​ビーム​または​陽子​ビーム​を​互いに​または​他の​ターゲット​に​衝突​させる​ため、​粒子​加速器​という​機械​を​使用​し​てい​ます。​その​衝突​によって、​大量​の​エネルギー​が​放出​さ​れ​ます。​その​エネルギー​は、​宇宙​が​形成​さ​れる​際​に​存在​した​高​エネルギー​状態​を​再現​する​こと​が​可能​な​ほど​の​量​です。​LHC​で​の​粒子​の​衝突​により​収集​さ​れ​た​データ​から、​宇宙​の​成り立ち​について​前例​の​ない​有益​な​情報​が​得​られる​とともに、​なぜ​粒子​に​質量​が​ある​の​か、​暗黒​物質​の​起源​は​何​か​といった​疑問​に​も​答える​こと​が​でき​ます。

 

外周​が​27 km​あり​最大​150 m​の​地下​に​埋​め​ら​れ​て​いる​LHC​は、​光速​に​近い​速度​で​移動​する​粒子​ビーム​同士​を​正面​衝突​させる​こと​が​でき​ます。​その​よう​な​衝突​を​発生​させる​ため、​LHC​は​2​つ​の​陽子​ビーム​または​その他​の​正電荷​を​持つ​重​イオン​を​円形​トンネル​の​周囲​に​逆​方向​に​送り​ます。​超​流動​ヘリウム​槽​内​で​1.9 K(-271ºC/-456ºF)​で​動作​する​超電導​磁石​が、​LHC​ビーム​の​軌道​を​制御​し​ます。​各​ビーム​の​全​出力​時​における​総​エネルギー​は​350 MJ​で、​これ​は​400​トン​の​列車​が​時速​150 km​で​走る​場合​の​エネルギー​に​匹敵​し、​500 kg​の​銅​を​溶かす​だけ​の​威力​が​あり​ます。

 

安全​性​に​不可欠​な​制御​システム​の​信頼性

ビーム​の​エネルギー​レベル​が​非常​に​高い​ため、​信頼​性​は​極めて​重要​です。​ビーム​が​軌道​を​外れ​た​場合、​衝突​加速器​は​壊滅​的​な​損害​を​被る​可能性​が​あり​ます。​そこで​粒子​が​意図​した​軌道​から​外れ​ない​よう​に​する​ため、​コリメータ​という​装置​を​100​台​以上​設置​しま​した。​コリメータ​と​は、​黒鉛​など​の​重​物質​の​ブロック​を​使用​し​て、​ビーム​コア​から​エネルギー​粒子​を​吸収​する​もの​です。​各​コリメータ​は、​全部​で​120​台​ある​PXI​システム​に​収​め​ら​れ​た​再​構成​可能​I/​O​モジュール​により​制御​さ​れ​ます。​標準​構成​では、​1​つ​の​シャー​シ​が​3​つ​の​異なる​コリメータ​に​搭載​さ​れ​た​最大​15​個​の​ステ​ッ​ピン​グ​モータ​を​20​分間​の​モーション​プロファイル​によって​制御​する​こと​で、​黒鉛のブロックを正確かつ同期的に整列させ、​2​つめ​の​シャー​シ​が​同じ​コリメータ​の​位置​を​リアルタイム​で​チェック​し​ます。​プロジェクト​の​第​2​段階​では、​約​60​個​の​コリメータ​と​約​60​台​の​PXI​システム​を​追加​し​て、​PXI​システム​の​数​が​全体​で​約​200​台​に​なる​よう​にし​ます。

 

特定​の​コリメータ​では、​両方​の​PXI​シャー​シ​が​コントローラ​上​で​LabVIEW Real-​Time​を​実行​し、​周辺​スロット​の​再​構成​可能​I/​O​デバイス​上​で​LabVIEW FPGA​を​実行​し​て、​コリメータ​の​制御​を​行い​ます。​NI SoftMotion​開発​モジュール​と​NI​再​構成​可能​モジュール​を​使用​し​て、​LHC​の​周囲​27 km​にわたり​ミリ​秒​単位​で​の​同期​が​可能​な​約​600​個​の​ステ​ッ​ピン​グ​モータ​用​の​カスタム​モーション​コントローラ​を​短時間​で​作成​する​こと​が​でき​ます。​これらの​デバイス​に​搭載​さ​れ​て​いる​FPGA(field-​programmable gate array)​により、​必要​な​制御​を​実現​する​こと​が​でき​ます。​実装​プラットフォーム​として​LabVIEW​と​PXI​を​選​ん​だ​の​は、​従来​の​VME​および​プログラマブル​ロジック​コントローラ​(PLC)​を​使用​した​モデル​に​比べ、​小型​で​あり​ながら​堅牢​性​が​高​く、​コスト​も​抑え​られる​ため​です。

 

 

正確​な​タイミング、​確度、​信頼​性​を​実現​する​ソリューション

タイミング、​確度、​信頼​性​など​の​厳しい​条件​を​クリア​する​ため、​再​構成​可能​モジュール​I/​O と​LabVIEW FPGA​を​ベース​に​した​モーション​コントロール/​フィードバック​システム​を​採用​しま​した。​必要な機能だけを備えているため不要なコストがかからず、​独自​の​ソフトウェア​ドライ​バ​を​開発​する​必要​も​ない​ため​余計​な​人手​を​かけ​ず​に​すむ​設計​プラットフォーム​を​選び​ま​した。

 

LHC​は​2008​年​夏​に​稼働​開始​予定​で、​世界中​の​科学​者​や​研究者​が​宇宙​の​構成​要素​の​解明​に​大きな​期待​を​寄せ​てい​ます。

 

本​事例​の​ビデオ​が​下記​URL​より​ご覧​い​た​だけ​ます。

http://​digital.ni.com/​worldwide/​japan.nsf/​web/​all/​B019F863D3A5D3F0492572300008CA98

 

著者​情報:

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. ​