CERN(유럽 원자핵 공동 연구소), NI LabVIEW와 PXI를 이용하여 세계 최대의 입자가속기 제어에 성공

Roberto Losito, CERN

"우리는 기존에 쓰던 VME와 PLC기반의 모델보다 소형의 크기이면서 견고하고 비용을 절감할 수 있기 때문에 배포용 플랫폼으로 LabVIEW와 PXI솔루션을 선택했습니다."

- Roberto Losito, CERN

과제:

Measuring and controlling, in real time, the position of bulk 높은 신뢰성과 정확성을 바탕으로 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 LHC(Large Hardon Collider)에 적용되어 미세한 빔 코어에서 나오는 에너지 입자를 흡수하는 장치의 위치를 실시간으로 측정 및 제어.

솔루션:

LabVIEW, LabVIEW Real-Time 모듈, LabVIEW FPGA 모듈, NI SoftMotion 소프트웨어를 재구성이 가능한 PXI용 NI R시리즈 I/O하드웨어를 이용하여 잘못 유도되거나 불안정한 입자빔을 차단할 수 있는 FPGA기반의 모션 컨트롤 시스템을 개발.

필자:

Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN

 

일반적으로는 CERN으로 널리 알려져 있는 유럽 원자핵 공동 연구소는 세계 최대규모의 입자물리학연구소입니다. 프랑스와 스위스 경계지역에 위치한 CERN은 1954년에 설립되었고 서로 엮여있는 물체와 힘의 기본원리를 연구하고자 과학자들이 모인 연구기관입니다.

 

 

LHC, 우주에 대한 기본적인 문제를 해결해줄 것으로 기대

CERN은 입자 가속기를 통해 이온이나 양자의 빔을 서로 충돌시키는 연구를 하고 있습니다. 이 충돌은 우주가 형성되는 동안 존재했던 고에너지 환경을 다시 만들어낼 수 있는 엄청난 양의 에너지입니다. LHC에서 발생한 입자충돌로 수집된 데이터는 어떻게 우리의 우주가 나타날 수 있었는지에 대한 원리와 왜 입자는 질량을 가지고 있고 암흑물질의 원천이 무엇인지에 대한 전례 없던 정보를 제공하게 될 것입니다.

 

LHC는 원주가 27km에 달하고 지하 150미터에 매장되어 있으며, 광속에 가까운 속도로 움직이는 입자빔 간의 정면충돌을 일으킬 수 있습니다. 이런 충돌을 발생시키기 위해서, LHC는 두 개의 양자빔이나 양전기로 충전된 대량의 이온을 서로 반대방향의 원형터널 주변으로 보냅니다. 1.9K(-271℃ 또는 -456℉)의 초유동체 헬륨 온도조절장치에서 작동하는 초전도성의 자석은 LHC 빔의 탄도를 제어합니다. 최대 상태에서 발생되는 빔의 총 에너지는 350MJ이며, 이 에너지는 400톤 무게의 기차를 150km/h의 속도로 움직이는 에너지에 근접하며 구리 500kg을 녹일 수 있을 정도로 충분한 양의 에너지입니다.

 

안전을 중시한 제어 시스템 신뢰도

빔의 초고에너지레벨 때문에 신뢰도가 매우 중요합니다. 장외를 이동하는 빔은 입자가속기에 파국적인 피해를 일으킬 수 있습니다. 입자가 의도했던 경로에서 벗어나는 것을 방지하기 위해, 분광기라고 일컬어지는 100대 이상의 장치가 설치되어 있습니다. 분광기는 흑연덩어리나 다른 대량의 물질을 사용하여 미세한 빔 코어에서 활성화된 입자를 흡수합니다. 각 분광기는 총 120대의 PXI 시스템을 위한 여분용으로 분리된 NI PXI 섀시에 장착된 재구성 가능한 I/O모듈로 제어됩니다. 표준 설정에서 하나의 섀시는 20분간의 모션 프로파일을 통해 세 개의 다른 분광기에 장착된 최대 15개의 스텝퍼 모터를 제어해서 흑연덩어리를 정확하고 동시적으로 정렬하고, 두 번째 섀시는 동일한 분광기의 실시간 위치를 확인합니다. 프로젝트의 두 번째 단계에선, 총 200대의 PXI 시스템을 구축하기 위해 60대 이상의 분광기와 60대에 근접하는 PXI 시스템을 구축하기로 계획했습니다. 구축된 분광기로, 신뢰도를 위해 양쪽의 PXI 섀시는 LabVIEW Real-Time을 컨트롤러에서 구동하고 주변장치의 재구성이 가능한 I/O장치에서 LabVIEW FPGA를 구동시켜서 분광기를 제어했습니다.

 

I더 나아가, NI SoftMotion 개발모듈과 NI 재구성 가능한 모듈을 이용하여 27km 크기의 LHC에서 밀리세컨드의 동기화로 600대에 근접하는 스테퍼 모터용 맞춤 모션 컨트롤러를 신속하게 제작했습니다. 이 장치상의 FPGA는 우리가 필요했던 제어수준을 제공했습니다. 우리는 기존에 쓰던 VME와 PLC기반의 모델보다 소형의 크기이면서 견고하고 비용을 절감할 수 있기 때문에 배포플랫폼용으로 LabVIEW와 PXI 솔루션을 선택했습니다.

 

 

정밀 타이밍, 정확도, 및 신뢰도를 위한 솔루션

엄격한 타이밍, 정확도, 및 신뢰도 요구조건을 충족시키기 위해, 우리는 재구성 가능한 I/O와 LabVIEW FPGA 기반의 모션제어 및 피드백시스템을 선택했습니다. 우리는 불필요한 비용을 최소화하고 우리가 필요한 기능만을 통합하고 시스템을 완성하는데 필요한 인력을 줄이기 위해 우리만의 소프트웨어 드라이버를 만들어야 하는 수고를 덜어주는 설계플랫폼을 선택했습니다.

 

LHC는  2008년 여름에 가동이 시작되었고, 전 세계의 과학자들과 연구원들은 LHC를 이용하여 우주의 기본원칙을 파헤칠 수 있다는데 많은 기대를 가지고 있습니다. 

 

필자 정보:

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.