【虹科案例】极高的精度水平——虹科数字化仪在大型强子对撞机机器保护系统中的应用

 

 大型强子对撞机   机器保护系统

 

CERN（欧洲核子研究中心） 的大型强子对撞机 (LHC) 的机器保护系统中使用了140 多张虹科数字化仪卡。这些板卡用于检查粒子束是否已准确偏转。这需要极高的精度，因为在 27 公里 LHC 加速器环中，两束高能粒子束以接近光速的相反方向行进，并且让它们在环周围的四个位置碰撞持续几个小时。这些粒子是非常小，以至于让它们碰撞的需求类似于以精确的方式发射两根相距 10 公里的针，并且要求它们在中途碰撞。

 

 

 LBDS 

LHC 光束倾卸系统

两个光束的能量很高，在失去光束控制的情况下，LHC机器会遭受损坏。为了在紧急情况下或在碰撞运行结束时安全地处理光束，LHC电子束倾倒系统（LBDS）必须在一次旋转内从LHC中提取全部光束，并将其运输到位于700m外的吸收体内。

每次光束转储后，操作检查系统将确保LBDS内的所有的因素都正确执行，并且光束需完整的提取出来。
 

 

 一个关键的部分是检查快速脉冲磁铁是否准确地使粒子束从LHC环中偏转到提取线。数据采集卡用于捕获当前脉冲波形，以检查它们是否具有正确的形状并与光束完全同步。例如，LBDS引出磁铁电流脉冲本身大约为20 kA，其上升时间小于3μs，同步误差小于20ns。仅在LBDS中，对于每一个波束收集器，使用数据采集卡获取将近500个模拟信号，并且使用数字I/O卡捕获超过150个同步信号。

 

 

IPOC

内部操作后检查

 

“我们已经开发了自己的波形采集和分析框架——IPOC（Internal Post Operation Check），”CERN加速器光束传输小组的软件团队负责人NicolasMagnin解释道，“这是用C++编写的，它包括一个基于Linux的硬件抽象层，使我们能够与多种类型的数字化卡连接。我们使用虹科的数字化卡来用于所有CERN加速器的激磁磁铁控制，它们在带宽和动态范围方面具有不同的要求。这类板卡使我们能够覆盖从10 MS/s到500 MS/s的带宽范围，以及根据不同应用实现从8到16位的分辨率。

 

虹科M4i.4451-x8

 

 对于这些跳跃脉冲事件的测量，需要非常高的精度水平。例如，最苛刻的系统，脉冲与脉冲间的误差延迟需要低于10纳秒，以及在动态范围为16的范围内低于0.5%的幅度。为了实现这一点，采集的精度必须更大一个数量级，因此，具有2 ns的时间分辨率和大于10的有效位数（ENOB）的虹科M4i.4451-x8数据采集卡成为了最佳选择。当激励器电流信号动态不固定时，使用数字转换器的各种输入范围来优化采集波形的信噪比。几乎所有波形都保存在日志的数据库中，用于以后的离线分析。此外，所有波形分析结果（例如，延迟、长度、上升时间、下降时间、平顶振幅等）被存储在日志数据库中，以提取随时间变化的趋势，以检查系统稳定性、温度依赖性等。

 

产品

集成
 

  “我们选择了虹科Spectrum的产品，因为它们以非常有竞争力的性价比，”Nicolas Magnin补充道。“它们很容易用用户友好的软件工具设置，并且驱动很容易在Linux操作环境下编译和部署。文档和编码示例都非常清晰，易于使用。在过去的八年里，我们购买了许多虹科Spectrum采集卡，其中只有两个出现问题，虹科的维修和返回非常快。同样，他们的支持非常迅速，在发展阶段我们的问题得到了答案。
 

“我们还使用虹科Spectrum任意波形发生器 (AWG) 卡来模拟冲击电流波形，并使用虹科Spectrum数字码型发生器卡来发送定时和控制信号，以帮助开发和验证我们测试台上的监视和保护系统。我们还可以在 Windows 上使用 LabVIEW 进行测试，因为虹科Spectrum硬件与该环境兼容。”

 目前，在PCER/PCIE和最近的PXEI平台上，在CERR系统上使用了超过140种虹科Spectrum的卡。

“CERN 使用我们的数字化仪卡是我们客户的典型例子，”虹科Spectrum 首席执行官 Gisela Hassler 说。“主要研究机构、大学和跨国研发部门选择我们的产品是因为它们的质量。他们的项目通常运行多年，因此他们需要可以长期依赖的设备。我们有许多仍在使用中的产品已经结束十年。这也是我们推出五年保修的原因，让设计和运行实验的人们高枕无忧。”