【虹科案例】極高的精度水平——虹科數(shù)字化儀在大型強子對撞機機器保護系統(tǒng)中的應(yīng)用

大型強子對撞機 機器保護系統(tǒng)

CERN（歐洲核子研究中心）的大型強子對撞機 (LHC) 的機器保護系統(tǒng)中使用了140 多張虹科數(shù)字化儀卡。這些板卡用于檢查粒子束是否已準確偏轉(zhuǎn)。這需要極高的精度，因為在 27 公里 LHC 加速器環(huán)中，兩束高能粒子束以接近光速的相反方向行進，并且讓它們在環(huán)周圍的四個位置碰撞持續(xù)幾個小時。這些粒子是非常小，以至于讓它們碰撞的需求類似于以精確的方式發(fā)射兩根相距 10 公里的針，并且要求它們在中途碰撞。

LBDS

LHC 光束傾卸系統(tǒng)

兩個光束的能量很高，在失去光束控制的情況下，LHC機器會遭受損壞。為了在緊急情況下或在碰撞運行結(jié)束時安全地處理光束，LHC電子束傾倒系統(tǒng)（LBDS）必須在一次旋轉(zhuǎn)內(nèi)從LHC中提取全部光束，并將其運輸?shù)轿挥?00m外的吸收體內(nèi)。

每次光束轉(zhuǎn)儲后，操作檢查系統(tǒng)將確保LBDS內(nèi)的所有的因素都正確執(zhí)行，并且光束需完整的提取出來。

一個關(guān)鍵的部分是檢查快速脈沖磁鐵是否準確地使粒子束從LHC環(huán)中偏轉(zhuǎn)到提取線。數(shù)據(jù)采集卡用于捕獲當前脈沖波形，以檢查它們是否具有正確的形狀并與光束完全同步。例如，LBDS引出磁鐵電流脈沖本身大約為20 kA，其上升時間小于3μs，同步誤差小于20ns。僅在LBDS中，對于每一個波束收集器，使用數(shù)據(jù)采集卡獲取將近500個模擬信號，并且使用數(shù)字I/O卡捕獲超過150個同步信號。

IPOC

內(nèi)部操作后檢查

“我們已經(jīng)開發(fā)了自己的波形采集和分析框架——IPOC（Internal Post Operation Check），”CERN加速器光束傳輸小組的軟件團隊負責人NicolasMagnin解釋道，“這是用C++編寫的，它包括一個基于Linux的硬件抽象層，使我們能夠與多種類型的數(shù)字化卡連接。我們使用虹科的數(shù)字化卡來用于所有CERN加速器的激磁磁鐵控制，它們在帶寬和動態(tài)范圍方面具有不同的要求。這類板卡使我們能夠覆蓋從10 MS/s到500 MS/s的帶寬范圍，以及根據(jù)不同應(yīng)用實現(xiàn)從8到16位的分辨率。

虹科M4i.4451-x8

對于這些跳躍脈沖事件的測量，需要非常高的精度水平。例如，最苛刻的系統(tǒng)，脈沖與脈沖間的誤差延遲需要低于10納秒，以及在動態(tài)范圍為16的范圍內(nèi)低于0.5%的幅度。為了實現(xiàn)這一點，采集的精度必須更大一個數(shù)量級，因此，具有2 ns的時間分辨率和大于10的有效位數(shù)（ENOB）的虹科M4i.4451-x8數(shù)據(jù)采集卡成為了最佳選擇。當激勵器電流信號動態(tài)不固定時，使用數(shù)字轉(zhuǎn)換器的各種輸入范圍來優(yōu)化采集波形的信噪比。幾乎所有波形都保存在日志的數(shù)據(jù)庫中，用于以后的離線分析。此外，所有波形分析結(jié)果（例如，延遲、長度、上升時間、下降時間、平頂振幅等）被存儲在日志數(shù)據(jù)庫中，以提取隨時間變化的趨勢，以檢查系統(tǒng)穩(wěn)定性、溫度依賴性等。

產(chǎn)品

集成

“我們選擇了虹科Spectrum的產(chǎn)品，因為它們以非常有競爭力的性價比，”Nicolas Magnin補充道?！八鼈兒苋菀子糜脩粲押玫能浖ぞ咴O(shè)置，并且驅(qū)動很容易在Linux操作環(huán)境下編譯和部署。文檔和編碼示例都非常清晰，易于使用。在過去的八年里，我們購買了許多虹科Spectrum采集卡，其中只有兩個出現(xiàn)問題，虹科的維修和返回非?？臁Ｍ瑯?，他們的支持非常迅速，在發(fā)展階段我們的問題得到了答案。

“我們還使用虹科Spectrum任意波形發(fā)生器 (AWG) 卡來模擬沖擊電流波形，并使用虹科Spectrum數(shù)字碼型發(fā)生器卡來發(fā)送定時和控制信號，以幫助開發(fā)和驗證我們測試臺上的監(jiān)視和保護系統(tǒng)。我們還可以在 Windows 上使用 LabVIEW 進行測試，因為虹科Spectrum硬件與該環(huán)境兼容?！?/p>

目前，在PCER/PCIE和最近的PXEI平臺上，在CERR系統(tǒng)上使用了超過140種虹科Spectrum的卡。

“CERN 使用我們的數(shù)字化儀卡是我們客戶的典型例子，”虹科Spectrum 首席執(zhí)行官 Gisela Hassler 說?！爸饕芯繖C構(gòu)、大學和跨國研發(fā)部門選擇我們的產(chǎn)品是因為它們的質(zhì)量。他們的項目通常運行多年，因此他們需要可以長期依賴的設(shè)備。我們有許多仍在使用中的產(chǎn)品已經(jīng)結(jié)束十年。這也是我們推出五年保修的原因，讓設(shè)計和運行實驗的人們高枕無憂。”