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大型强子对撞机(LHC)是如何测试的?

2021-12-01 17:23     来源:恩艾NI知道     LHC欧洲核子研究中心
揭秘大型强子对撞机测试

欧洲核子研究中心(CERN)于1954年成立,是世界上最大的粒子物理实验室,位于法国和瑞士的边界。在研究世界最强大的粒子加速度器 - 大型强子对撞机(LHC)上,他们采用了什么测试方法呢?今天我们就来探究下。

注:本文由CERN的专家Roberto Losito 、Alessandro Masi联合撰写


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。


大型强子对撞机(LHC)

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。

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。

 
控制系统如何保证高可靠性

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

 
CERN的选择标准:严格定时、精度性及可靠性

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。

我们再来总结下本项目的挑战与解决方案。


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。

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