CERN​采用​LabVIEW​软件​及​PXI​硬件​控制​世界上​最大​的​粒子​加速度器

Roberto Losito, CERN

"部署​平台​我们​选用​了​LabVIEW​及​PXI​的​解决​方案,​是​因为​其​相比​于​传统​VME​和​基于​可​编​程​逻辑​控制器​的​模​块​来说,​具有​小型化、​坚固​性​及​低成本​等​优势。" ​

- Roberto Losito, CERN

挑战:

在​世界​最​强大​的​粒子​加速度​器 - 大型​强​子​对​撞​机​(LHC)​上,​实现​实​时​测量​与​控制​大量​组​件​位置,​从​粒子​束​核心​中​吸收​粒子​能量,​并​确保​可靠性​和​精确​性。 ​

解决​方案:

采用​LabVIEW、​LabVIEW​实​时​模​块、​LabVIEW FPGA​模​块、​NI SoftMotion​软件​及​PXI​总​线​的​NI R​系列​可​重新​配置​I/​O​硬件,​开发​的​基于​FPGA​运动​控制​系统,​能够​中断​被​错误​引导​或​不​稳定​的​粒子​束。

作者:

Roberto Losito - CERN
​Alessandro Masi - CERN

 

欧洲​核子​研究​中心,​即​CERN,​是​世界上​最大​的​粒子​物理​实验​室。​她​位于​法国​和​瑞士​的​边界。​CERN​于​1954​年​成立,​作为​一个​研究​组织,​科学​家​致力​于​研究​物质​的​基本​构成​及​物质​间​的​相互作用​力。

 

 

希望​通过​LHC​来​解释​宇宙​间​的​基本​问题

CERN​依靠​称​之​为​粒子​加速度​器​的​机器​来​使​离子​或​质子​束​互相​碰撞​或​撞击​其它​物质。​这种​撞击​将​释放​巨大​的​能量,​足够​用​来​重现​宇宙​形成​时​的​高能​环境。​从​LHC​中​粒子​撞击​采集​到​的​数据​将​提供​前所未有​的​关于​宇宙​形成​的​信息,​进而​揭示​诸如​为什么​粒子​具有​质量,​或​暗​物质​的​起源​等​问题。

 

LHC​圆周​长达​27km,​位于​地​底下​150m​深处。​它​能够​让​粒子​束​以​接近​光速​实现​对​撞。​为了​实现​这样​的​撞击,​LHC​将​两​束​质子​或​正​电荷​离子​送​至​圆形​轨道​的​相对​方向​上。​超​流​态​氦​中的​超​导​磁体​处于​1.9 K​的​低温​状态​(-271 ºC​或-456 ºF),​控制​LHC​中​粒子​束​的​轨迹。​每​束​粒子​束​具有​的​最大​能量​为​350 MJ,​大约​为​400​吨​以​时速​150 km/​h​行进​中的​火车​所​具有​的​能量,​能够​融化​500 千克​铜。

 

控制​系统​是否​可靠​是​保障​安全​性的​关键

由于​粒子​束​具有​极​高​的​能量,​可靠性​成为​关键​因素。​高速​传播​中的​粒子​束​产生​碰撞​很可能​产生​毁灭​性的​灾难。​为​防止​粒子​偏离​既定​的​路径,​我们​安装​了​超过​100​台​称为​瞄准​仪​的​设备。​瞄准​仪​通过​石墨​块​或​其它​大​质量​材料​来​吸收​粒子​束​核心​中的​高能​粒子。​每一​台​瞄准​仪​都由​安装​于​独立NI PXI机​箱​中的​可​重新​配置​I/​O​模​块​控制,​总共​120 套​PXI​系统,​以​实现​冗​余。​在​标准​配置​下,​每​个​机​箱​控制​多​达​15​台步​进​电机,​它们​被​安装​在​3​个​不同​瞄准​仪​上,​在​20​分钟​的​运动​中,​精确、​同步​地​排列​石墨​块;​同时,​另​一个​机​箱​用于​检查​瞄准​仪​的​实​时​位置。​在​工程​的​第二​阶段,​将​计划​再​加入​约​60​台​瞄准​仪​及​60​个​PXI​系统,​最终​达到​约​200​个​PXI​系统。

 

对​一个​瞄准​仪​来说,​为​保障​其​可靠性,​两​台​PXI​机​箱​的​控制器​上​都​运行LabVIEW Real-​Time软件,​在外​设​槽​的​可​重新​配置​I/​O​设备​上​运行LabVIEW FPGA软件,​实现​对​瞄准​仪​的​控制。​我们​采用NI SoftMotion​开发​模块及​NI​可​重新​配置​模​块​来​实现​LHC​上​600​多台​步​进​电机​的​快速​自​定义​运动​控制器​设计,​27 km​上​的​同步​率​可达​毫秒​级。​设备​上​的​现场​可​编​程​逻辑​门​阵​列​(FPGA)​提供​了​所需​的​控制​级别。​我们​的​部署​平台​选用​LabVIEW​及​PXI​的​解决​方案,​是​因为​它​相比​于​传统​VME​和​基于​PLC​模​块​来说,​具有​小型化、​坚固​性​及​低成本​等​优势

 

 

准​确定​时、​精度​性​及​可靠性​的​解决​方案

为了​满足​严格​定​时、​精度​及​可靠性​等​要求,​我们​选用​了​基于​可​重新​配置​I/​O​及​LabVIEW FPGA​的​运动​控制​及​反馈​系统。​我们​选用​的​平台​仅​整合​了​所需​的​功能,​省却​了​不必要​的​成本,​无​需​自己​开发​软件​驱动,​从而​降低​了​完成​系统​对​人力​资源​的​需求。

 

LHC​计划​于​2008​年​夏天​启动,​届时​世界​各地​的​科学​家​与​研究​人员​将​期待​着​通过​LHC​来​探索​宇宙​的​奥秘。

 

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作者​信息:

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. ​