揭秘大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)測(cè)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(shí)驗(yàn)室，位于法國(guó)和瑞士的邊界。在研究世界最強(qiáng)大的粒子加速度器 - 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上，他們采用了什么測(cè)試方法呢？今天我們就來(lái)探究下。

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

通過(guò)LHC來(lái)解釋宇宙間的基本問題

CERN依靠稱之為粒子加速度器的機(jī)器來(lái)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(lái)重現(xiàn)宇宙形成時(shí)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(jìn)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）

LHC圓周長(zhǎng)達(dá)27km，位于地底下150m深處。它能夠讓粒子束以接近光速實(shí)現(xiàn)對(duì)撞。為了實(shí)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(duì)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(shí)速150 km/h行進(jìn)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(shí)速150 km/h行進(jìn)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(guò)100臺(tái)稱為瞄準(zhǔn)儀的設(shè)備。瞄準(zhǔn)儀通過(guò)石墨塊或其它大質(zhì)量材料來(lái)吸收粒子束核心中的高能粒子。

每一臺(tái)瞄準(zhǔn)儀都由安裝于獨(dú)立NI PXI機(jī)箱中的可重新配置I/O模塊控制，總共120 套PXI系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)冗余。在標(biāo)準(zhǔn)配置下，每個(gè)機(jī)箱控制多達(dá)15臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，它們被安裝在3個(gè)不同瞄準(zhǔn)儀上，在20分鐘的運(yùn)動(dòng)中，精確、同步地排列石墨塊；同時(shí)，另一個(gè)機(jī)箱用于檢查瞄準(zhǔn)儀的實(shí)時(shí)位置。在工程的第二階段，將計(jì)劃再加入約60臺(tái)瞄準(zhǔn)儀及60個(gè)PXI系統(tǒng)，最終達(dá)到約200個(gè)PXI系統(tǒng)。

對(duì)一個(gè)瞄準(zhǔn)儀來(lái)說(shuō)，為保障其可靠性，兩臺(tái)PXI機(jī)箱的控制器上都運(yùn)行LabVIEW Real-Time軟件，在外設(shè)槽的可重新配置I/O設(shè)備上運(yùn)行LabVIEW FPGA軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞄準(zhǔn)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(lái)實(shí)現(xiàn)LHC上600多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的快速自定義運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)，27 km上的同步率可達(dá)毫秒級(jí)。設(shè)備上的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）提供了所需的控制級(jí)別。

我們的部署平臺(tái)選用LabVIEW及PXI的解決方案，是因?yàn)樗啾扔趥鹘y(tǒng)VME和基于PLC模塊來(lái)說(shuō)，具有小型化、堅(jiān)固性及低成本等優(yōu)勢(shì)

CERN的選擇標(biāo)準(zhǔn)：嚴(yán)格定時(shí)、精度性及可靠性

為了滿足嚴(yán)格定時(shí)、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(yùn)動(dòng)控制及反饋系統(tǒng)。我們選用的平臺(tái)僅整合了所需的功能，省卻了不必要的成本，無(wú)需自己開發(fā)軟件驅(qū)動(dòng)，從而降低了完成系統(tǒng)對(duì)人力資源的需求。

我們?cè)賮?lái)總結(jié)下本項(xiàng)目的挑戰(zhàn)與解決方案。

挑戰(zhàn)

在世界最強(qiáng)大的粒子加速度器 - 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠中斷被錯(cuò)誤引導(dǎo)或不穩(wěn)定的粒子束。