CERN usa o software NI LabVIEW e hardware PXI para controlar o maior acelerador de partículas do mundo

Roberto Losito, CERN

"Nós escolhemos a solução PXI e LabVIEW para a plataforma de desenvolvimento devido ao pequeno tamanho, robustez e economia sobre o modelo tradicional baseado em VME e controlador lógico programável"

- Roberto Losito, CERN

O desafio:

Medir e controlar em tempo real, a posição de componentes em massa para absorver partículas energéticas fora do núcleo nominal do feixe com alta confiabilidade e precisão no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Grande Colisor de Hádrons (LHC – Large Hadron Collider).

A solução:

Usar o LabVIEW, o módulo LabVIEW Real-Time, o módulo LabVIEW FPGA e o software NI SoftMotion com o hardware de E/S reconfiguráveis da série R para PXI, com o objetivo de desenvolver um sistema de controle de movimento baseado em FPGA capaz de interceptar feixes de partículas extraviados ou instáveis.

Autor(es):

Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN

 

A Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, mais conhecida como CERN, é o maior laboratório de física de partículas do mundo. Localizado na divisa entre a França e a Suíça, o CERN foi fundado em 1954 e serve como uma organização de pesquisa onde os cientistas se reúnem para estudar os blocos constituintes da matéria e as forças que os mantém unidos.

 

 

O LHC espera responder questões fundamentais sobre o universo

O CERN conta com máquinas chamadas aceleradores de partículas para colidir feixes de íons ou prótons entre si ou em outros alvos. Essas colisões liberam enormes quantidades de energia – suficiente para recriar as condições de alta energia que existiram durante a formação do universo. Os dados coletados das colisões de partículas no LHC provavelmente fornecerão informações sem precedentes sobre como o nosso universo foi formado e ajudar a responder algumas questões, como por exemplo, por que as partículas possuem massa e qual é a origem da matéria escura.

 

O LHC, que possui 27 km em circunferência e está enterrado a 150 m abaixo da terra, é capaz de produzir colisões frontais entre feixes de partículas viajando a uma velocidade próxima à velocidade da luz. Para produzir essas colisões, o LHC envia dois feixes de prótons ou outros íons pesados carregados positivamente ao longo do túnel circular em direções opostas.

 

Imãs supercondutores que operam em um super fluído banhado em hélio a apenas 1,9 K (-271º C ou -456ºF) controlam a trajetória dos feixes do LHC. A energia total em cada feixe pode chegar a no máximo 350 MJ, aproximadamente a energia em um trem de 400 toneladas viajando a 150 km/h, sendo esta energia suficiente para derreter 500 kg de cobre.

 

Confiabilidade do sistema de controle crítica à segurança

Por conta dos níveis de energia extremamente altos nos feixes, a confiabilidade é crítica. Um feixe que viaja para fora do curso pode causar danos catastróficos ao colisor. Para prevenir que as partículas sejam desviadas de suas trajetórias desejadas, nós estamos instalando mais de 100 dispositivos chamados colimadores. Um colimador usa blocos de grafite ou outros materiais pesados para absorver partículas energéticas que estão fora do núcleo nominal do feixe. Cada colimador é controlado com módulos de E/S reconfigurável da NI  montados em chassis NI PXI  separados para redundância, sendo utilizados no total 120 sistemas PXI. Na configuração padrão, um chassi controla até 15 motores de passo montados em três colimadores diferentes através de um perfil de movimento de 20 minutos para alinhar os blocos de grafite de maneira precisa e sincronizada, e em outro chassi, é realizada a verificação do posicionamento em tempo real dos mesmos colimadores. Na fase II do projeto, nós planejamos adicionar cerca de 60 colimadores adicionais e aproximadamente 60 sistemas PXI para um total de cerca de 200 sistemas PXI.

 

Em um dado colimador, ambos os chassis PXI rodam LabVIEW Real-Time na controladora para oferecer confiabilidade ao sistema e LabVIEW FPGA nos dispositivos de E/S reconfiguráveis (nos slots) para realizar o controle do colimador com alto desempenho. Nós usamos o NI SoftMotion Development Module e os módulos reconfiguráveis da NI para criar rapidamente um controlador de movimento customizado para aproximadamente 600 motores de passo com sincronização de milissegundos ao longo dos 27 km do LHC. Os arranjos de portas programáveis em campo (FPGAs) nesses dispositivos nos dão o nível de controle que nós precisamos. Nós escolhemos a solução do LabVIEW e PXI para a plataforma de desenvolvimento devido ao pequeno tamanho, robustez e economia de custos em relação à solução tradicional baseada em VME e controlador lógico programável

 

 

Uma solução para temporização precisa, exatidão e confiabilidade

Para atender os estritos requisitos de temporização, exatidão e confiabilidade, nós escolhemos um sistema de controle de movimento, realimentação baseado nas E/S reconfiguráveis e no LabVIEW FPGA. Nós escolhemos uma plataforma de projeto que incorporou somente os recursos que nós precisávamos sem adicionar custos desnecessários e nos ajudou a evitar criar os nossos próprios drivers de software para reduzir a mão de obra necessária para completar o sistema.

 

O LHC começou a operar em 10 de setembro de 2008 onde um feixe de prótons acelerados entrou no túnel submerso de 27 km do LHC e completou com sucesso uma volta completa em menos de uma hora, passando por cada detector de partículas espaçado ao longo do túnel. Os cientistas e pesquisadores ao redor de todo mundo estão animados para começar a descobrir os mistérios relacionados com os blocos que constituem o universo.

 

Informações sobre o autor:

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.