揭秘大型強子對撞機測試

歐洲核子研究中心（CERN）于1954年成立，是世界上最大的粒子物理實驗室，位于法國和瑞士的邊界。在研究世界最強大的粒子加速度器 - 大型強子對撞機（LHC）上，他們采用了什么測試方法呢？今天我們就來探究下。

ps：本文由CERN的專家Roberto Losito 、Alessandro Masi聯(lián)合撰寫

通過LHC來解釋宇宙間的基本問題

CERN依靠稱之為粒子加速度器的機器來使離子或質(zhì)子束互相碰撞或撞擊其它物質(zhì)。這種撞擊將釋放巨大的能量，足夠用來重現(xiàn)宇宙形成時的高能環(huán)境。從LHC中粒子撞擊采集到的數(shù)據(jù)將提供前所未有的關(guān)于宇宙形成的信息，進而揭示諸如為什么粒子具有質(zhì)量，或暗物質(zhì)的起源等問題。

大型強子對撞機（LHC）

LHC圓周長達27km，位于地底下150m深處。它能夠讓粒子束以接近光速實現(xiàn)對撞。為了實現(xiàn)這樣的撞擊，LHC將兩束質(zhì)子或正電荷離子送至圓形軌道的相對方向上。超流態(tài)氦中的超導(dǎo)磁體處于1.9 K的低溫狀態(tài)(-271 oC或-456 oF)，控制LHC中粒子束的軌跡。每束粒子束具有的最大能量為350 MJ，大約為400噸以時速150 km/h行進中的火車所具有的能量，能夠融化500 千克銅。

每束粒子束具有的最大能量為350 MJ，大約為400噸以時速150 km/h行進中的火車所具有的能量，能夠融化500 千克銅。

控制系統(tǒng)如何保證高可靠性

由于粒子束具有極高的能量，可靠性成為關(guān)鍵因素。高速傳播中的粒子束產(chǎn)生碰撞很可能產(chǎn)生毀滅性的災(zāi)難。為防止粒子偏離既定的路徑，我們安裝了超過100臺稱為瞄準儀的設(shè)備。瞄準儀通過石墨塊或其它大質(zhì)量材料來吸收粒子束核心中的高能粒子。

每一臺瞄準儀都由安裝于獨立NI PXI機箱中的可重新配置I/O模塊控制，總共120 套PXI系統(tǒng)，以實現(xiàn)冗余。在標準配置下，每個機箱控制多達15臺步進電機，它們被安裝在3個不同瞄準儀上，在20分鐘的運動中，精確、同步地排列石墨塊；同時，另一個機箱用于檢查瞄準儀的實時位置。在工程的第二階段，將計劃再加入約60臺瞄準儀及60個PXI系統(tǒng)，最終達到約200個PXI系統(tǒng)。

對一個瞄準儀來說，為保障其可靠性，兩臺PXI機箱的控制器上都運行LabVIEW Real-Time軟件，在外設(shè)槽的可重新配置I/O設(shè)備上運行LabVIEW FPGA軟件，實現(xiàn)對瞄準儀的控制。我們采用NI SoftMotion開發(fā)模塊及NI可重新配置模塊來實現(xiàn)LHC上600多臺步進電機的快速自定義運動控制器設(shè)計，27 km上的同步率可達毫秒級。設(shè)備上的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）提供了所需的控制級別。

我們的部署平臺選用LabVIEW及PXI的解決方案，是因為它相比于傳統(tǒng)VME和基于PLC模塊來說，具有小型化、堅固性及低成本等優(yōu)勢

CERN的選擇標準：嚴格定時、精度性及可靠性

為了滿足嚴格定時、精度及可靠性等要求，我們選用了基于可重新配置I/O及LabVIEW FPGA的運動控制及反饋系統(tǒng)。我們選用的平臺僅整合了所需的功能，省卻了不必要的成本，無需自己開發(fā)軟件驅(qū)動，從而降低了完成系統(tǒng)對人力資源的需求。

我們再來總結(jié)下本項目的挑戰(zhàn)與解決方案。

挑戰(zhàn)

在世界最強大的粒子加速度器 - 大型強子對撞機（LHC）上，實現(xiàn)實時測量與控制大量組件位置，從粒子束核心中吸收粒子能量，并確保可靠性和精確性。

解決方案

采用LabVIEW、LabVIEW實時模塊、LabVIEW FPGA模塊、NI SoftMotion軟件及PXI總線的NI R系列可重新配置I/O硬件，開發(fā)的基于FPGA運動控制系統(tǒng)，能夠中斷被錯誤引導(dǎo)或不穩(wěn)定的粒子束。