揭秘大型強子對撞機測試

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驗室，位于法國和瑞士的邊界。在研究世界最強大的粒子加速度器 - 大型強子對撞機（LHC）上，他們采用了什么測試方法呢？今天我們就來探究下。

ps：本文由CERN的專家Roberto Losito 、Alessandro Masi聯合撰寫

通過LHC來解釋宇宙間的基本問題

CERN依靠稱之為粒子加速度器的機器來使離子或質子束互相碰撞或撞擊其它物質。這種撞擊將釋放巨大的能量，足夠用來重現宇宙形成時的高能環境。從LHC中粒子撞擊采集到的數據將提供前所未有的關于宇宙形成的信息，進而揭示諸如為什么粒子具有質量，或暗物質的起源等問題。

大型強子對撞機（LHC）

LHC圓周長達27km，位于地底下150m深處。它能夠讓粒子束以接近光速實現對撞。為了實現這樣的撞擊，LHC將兩束質子或正電荷離子送至圓形軌道的相對方向上。超流態氦中的超導磁體處于1.9 K的低溫狀態(-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噸以時速150 km/h行進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噸以時速150 km/h行進中的火車所具有的能量，能夠融化500 千克銅。

控制系統如何保證高可靠性

由于粒子束具有極高的能量，可靠性成為關鍵因素。高速傳播中的粒子束產生碰撞很可能產生毀滅性的災難。為防止粒子偏離既定的路徑，我們安裝了超過100臺稱為瞄準儀的設備。瞄準儀通過石墨塊或其它大質量材料來吸收粒子束核心中的高能粒子。

每一臺瞄準儀都由安裝于獨立NI PXI機箱中的可重新配置I/O模塊控制，總共120 套PXI系統，以實現冗余。在標準配置下，每個機箱控制多達15臺步進電機，它們被安裝在3個不同瞄準儀上，在20分鐘的運動中，精確、同步地排列石墨塊；同時，另一個機箱用于檢查瞄準儀的實時位置。在工程的第二階段，將計劃再加入約60臺瞄準儀及60個PXI系統，最終達到約200個PXI系統。

對一個瞄準儀來說，為保障其可靠性，兩臺PXI機箱的控制器上都運行LabVIEW Real-Time軟件，在外設槽的可重新配置I/O設備上運行LabVIEW FPGA軟件，實現對瞄準儀的控制。我們采用NI SoftMotion開發模塊及NI可重新配置模塊來實現LHC上600多臺步進電機的快速自定義運動控制器設計，27 km上的同步率可達毫秒級。設備上的現場可編程邏輯門陣列（FPGA）提供了所需的控制級別。

我們的部署平臺選用LabVIEW及PXI的解決方案，是因為它相比于傳統VME和基于PLC模塊來說，具有小型化、堅固性及低成本等優勢

CERN的選擇標準：嚴格定時、精度性及可靠性

為了滿足嚴格定時、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的運動控制及反饋系統。我們選用的平臺僅整合了所需的功能，省卻了不必要的成本，無需自己開發軟件驅動，從而降低了完成系統對人力資源的需求。

我們再來總結下本項目的挑戰與解決方案。

挑戰

在世界最強大的粒子加速度器 - 大型強子對撞機（LHC）上，實現實時測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實時模塊、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，開發的基于FPGA運動控制系統，能夠中斷被錯誤引導或不穩定的粒子束。