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用于CERN大型强子对撞机的机械保护系统

CERN大型强子对撞机的机器保护系统中使用了超过140块Spectrum的数据采集卡。采集卡被用来检查粒子束是否被精确地偏转。当两个高能粒子束在27公里的LHC加速器环中以相反的方向接近光速行进时,然后,他们运行数小时后在环附近的四个位置碰撞。这些粒子非常小,以至于使它们发生碰撞的任务类似于以相距10公里用两根针去碰撞。

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   两个光束的能量非常高,在失去光束控制的情况下,LHC机器可能遭受严重损坏。为了在紧急情况下或在碰撞运行结束时安全地处置,LHC电子束倾倒系统(LBDS)必须在一次旋转内从LHC中提取,并将其运输到位于700m外的吸收体内。在每次束流收集器,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,称为冲击磁铁,准确地使粒子束从LHC环中精确的偏离。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。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20纳秒。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。

   “我们已经开发了自己的波形采集和分析框架,称为IPOC(Internal Post Operation Check),”CERN加速器束传输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。我们使用各种来自Spectrum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。这种不同的卡使我们能够覆盖从10 MS/s到500 MS/s的带宽范围,以及根据不同应用从8到16位的分辨率。

   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,例如,具有2 ns的时间分辨率和大于10的有效位数(ENOB)的M4i.4451-x8数据采集卡。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。

   “我们选择了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,这使得用起来非常容易。在过去的八年里,我们已经购买了一些Spectrum采集卡,其中只有两个出现问题,Spectrum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。

   “我们还利用Spectrum的任意波形发生器(AWG)卡来模拟冲击电流波形和Spectrum数字模式发生器卡,以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。我们有时也会在Windows上使用LabVIEW作为测试平台,因为Spectrum Instrumentation硬件与此环境直接兼容。“

   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Spectrum的卡。

“CERN使用我们的数据采集卡是我们客户的典型例子,”Spectrum的首席执行官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,因为它们的质量。他们的项目经常运行很多年,所以他们希望能够长期依赖的设备。我们有许多产品仍在使用,超过十年。这也是为什么我们提供五年质保,为客户设计和运行实验提供了多年的安心。