CERN steuert weltgrößten Teilchenbeschleuniger mit NI LabVIEW und PXI

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"Wir haben uns für eine Plattform mit LabVIEW und PXI entschieden, da sie kleiner, robuster und kostengünstiger ist als das traditionelle Modell mit VME und SPSen."

- Roberto Losito, CERN

The Challenge:
Zuverlässige und präzise Echtzeitmessung und -steuerung der Position von Hauptkomponenten zur Absorption energiegeladener Teilchen aus dem nominalen Kern des Strahls im leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Großen Hadronenbeschleuniger (LHC, Large Hadron Collider)

The Solution:
Einsatz von LabVIEW, dem LabVIEW Real-Time Module, dem LabVIEW FPGA Module und der Software NI SoftMotion mit rekonfigurierbarer I/O-Hardware der R-Serie von NI für PXI zur Entwicklung eines FPGA-basierten Motorsteuerungssystems, das in der Lage ist, fehlgeleitete oder instabile Teilchenstrahlen abzufangen

Author(s):
Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN

Die European Organisation for Nuclear Research, besser bekannt als CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), ist weltweit das größte Labor für Teilchenphysik. Das CERN liegt an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Es wurde 1954 gegründet und dient als Forschungsorganisation, in der Wissenschaftler die Zusammensetzung von Materie und die Kräfte, die sie zusammenhalten, untersuchen.

LHC soll grundlegende Fragen zur Entstehung des Universums beantworten

Das CERN arbeitet mit einem sogenannten Teilchenbeschleuniger, um Strahlen von Ionen oder Protonen entweder zusammenstoßen oder auf andere Ziele treffen zu lassen. Diese Kollisionen setzen enorme Mengen an Energie frei – genug, um die Energiebedingungen nachzubilden, wie sie bei der Entstehung des Universums geherrscht haben müssen. Die Daten, die von den Teilchenkollisionen im LHC gesammelt werden, ergeben womöglich ganz neue Informationen über die Entstehung unseres Universums und beantworten Fragen wie etwa, warum Teilchen eine Masse haben und welchen Ursprung dunkle Materie hat.

Der LHC, der einen Umfang von 27 km hat und 150 m unter der Erde liegt, ist in der Lage, Teilchenstrahlen frontal kollidieren zu lassen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Um die Kollisionen auszulösen, schießt der LHC zwei Strahlen von Protonen oder anderen positiv geladenen schweren Ionen in entgegengesetzter Richtung durch den kreisrunden Tunnel. Supraleitende Magnete, die in einem suprafluiden Heliumbad bei nur 1,9 K (-271 °C) arbeiten, steuern die Strahlen, die der LHC abschießt. Bei voller Leistung beträgt die gesamte Energie in jedem Strahl 350 MJ. Dies entspricht in etwa der Energie eines 400 Tonnen schweren Zuges bei 150 km/h oder der Energie, die man braucht, um 500 kg Kupfer zu schmelzen.

Zuverlässiges Steuersystem unabdingbar für die Sicherheit

Aufgrund der extrem hohen Energie in den Strahlen ist die Zuverlässigkeit des Steuersystems von höchster Wichtigkeit. Ein Strahl, der von seinem Kurs abkommt, kann katastrophale Schäden am Beschleuniger verursachen. Um Teilchen daran zu hindern, vom vorgegebenen Kurs abzuweichen, installieren wir über 100 sogenannte Kollimatoren. Ein Kollimator absorbiert energiegeladene Teilchen, die den nominalen Kernstrahl verlassen, mit Blöcken aus Graphit oder anderem schweren Material. Jeder Kollimator wird mit rekonfigurierbaren I/O-Modulen gesteuert, die wegen der Redundanz in separaten PXI-Chassis von NI montiert sind. Insgesamt nutzen wir 120 solcher PXI-Systeme. In der Standardkonfiguration steuert ein Chassis bis zu 15 Schrittmotoren auf drei verschiedenen Kollimatoren in einem 20-minütigen Bewegungsprofil, um die Graphitblöcke präzise und synchron auszurichten. Ein zweites Chassis überprüft die Echtzeit-Positionierung derselben Kollimatoren. In Phase II des Projekts werden wir 60 weitere Kollimatoren und ca. 60 PXI-Systeme installieren, so dass dann insgesamt an die 200 PXI-Systeme im Einsatz sind.

In jedem Kollimator laufen beide PXI-Chassis, um maximale Zuverlässigkeit zu erreichen, unter LabVIEW Real-Time. Auf den rekonfigurierbaren I/O-Geräten in den Peripheriesteckplätzen läuft LabVIEW FPGA zur Steuerung der Kollimatoren. Mit dem NI SoftMotion Development Module und rekonfigurierbaren NI-Modulen lässt sich zügig eine anwenderdefinierte Motorsteuerung für ca. 600 Schrittmotoren entwickeln, die auch auf den 27 km des LHC auf die Millisekunde genau synchronisiert werden können. Die FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) auf diesen Geräten ermöglichen die nötige genaue Kontrolle. „Wir haben uns für eine Plattform mit LabVIEW und PXI entschieden, da sie kleiner, robuster und kostengünstiger ist als das traditionelle Modell mit VME und SPSen.“

Eine Lösung für optimales Timing, Präzision und Zuverlässigkeit

Um die strengen Timing-, Präzisions- und Zuverlässigkeitsvorgaben zu erfüllen, wählten wir ein Motorsteuerungs- und Feedback-System auf Basis von rekonfigurierbaren I/Os und LabVIEW FPGA. Wir entschieden uns für eine Designplattform, die nur die benötigen Funktionen enthält und keine unnötigen Kosten verursacht. Darüber hinaus mussten wir keine eigenen Softwaretreiber erstellen und konnten damit den Arbeitsaufwand zur Fertigstellung des Systems reduzieren.

Der LHC soll im Sommer 2008 in Betrieb genommen werden und Wissenschaftler aus aller Welt können es kaum erwarten, mit ihm die Ursprünge unseres Universums zu erforschen.

Sehen Sie sich hier ein Video zu dieser Anwendung an:

Author Information:
Roberto Losito
CERN
Tel: 41-22-767-6263
roberto.losito@cern.ch

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