Spectrum仪器140余款数字化仪卡被应用于CERN和LHC

德国Spectrum仪器宣布旗下140余款数字化仪卡被应用于欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机的设备保护系统（LHC）。这些数字化仪卡主要应用于检查粒子束偏转的精准度。在27km的LHC加速环中，当两个高能粒子束以接近光速的速度向相反方向运行时，其对于精准度的要求极为苛刻。此后，它们在加速环周围的四个位置发生碰撞并运行数小时。这些粒子极其微小，以至于使它们碰撞的精准度如同在相距10公里的位置发射两根针，并使其在中途相遇的几率一样。

这两个粒子束储存着巨大的能量。如果粒子束失控，LHC设备将会遭到严重的破坏。为了能够在紧急情况或碰撞结束时安全处理粒子束，大型强子对撞机粒子排放系统（LBDS）必须从LHC的一次运转中提取出完整的光束，并将其传输到距离LHC环约700米远的吸收区。在每束粒子束排放后，操作后的检查系统将确保LBDS的全部元素能够正常运作，同时粒子束能被完全提取出来。

快速脉冲磁铁又称为冲击磁铁，最重要的一个步骤是检查从LHC环到提取线上粒子束偏转的精确性。数字化仪卡片用于捕获当前的脉冲波形，以检查它们的形状是否正确，并与粒子束同步。具体来说，LBDS提取磁铁电流脉冲约为20 kA，上升时间小于3µs，同步误差小于20 ns。如果单独考虑LBDS中每个粒子束的排放事件，数字化仪卡片会获取500个模拟信号，数字I/O卡将获取150余个同步信号。

CERN加速器粒子束传输小组的软件部负责人Nicolas Magnin解释道：“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）。它在Linux系统上使用c++编程，还包括一个硬件抽象层，使我们能够与许多类型的数字化仪卡片进行交互。我们使用了Spectrum仪器公司的多种数字化仪卡片，以涵盖CERN加速器所需的全部冲击磁铁类型，因为它们在带宽和动力学方面有不同的要求。在实际应用中，我们通过Spectrum仪器的产品能够涵盖10MS/s至500MS/s范围区间的带宽，分辨率可达8位至16位。”

测量冲击脉冲事件对精准度要求极高。例如，高需求的系统要求脉冲到脉冲的再现性错误延迟低于10ns，而在动态范围为16的情况下振幅低于0.5%。为了达到这一目标，获取的精确度必须具有更大的数量级。因此，诸如Spectrum仪器的时间分辨率为2ns，有效位数（ENOB）大于10的M4i.4451-x8数字化仪就成为了最佳的选择。由于冲击电流的信号动态不固定，因此数字化仪的各种输入范围被用来优化所获取的波形的信噪比。几乎所有的波形都保存在日志数据库中，以便后期离线分析。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）都存储在日志数据库中，用于提取随时间变化的趋势，检查系统稳定性、温度依赖性等。

Nicolas Magnin还表示：“Spectrum仪器公司的产品性能卓越，价格极具竞争力。他们为用户提供的软件工具简单易用，并且驱动源和我们的Linux操作环境非常契合。此外，Spectrum仪器为用户提供的编程文档示例使我们非常容易上手。在过去的8年里，我们购买了大量的Spectrum仪器公司的数字化仪卡片，只是在超出保修期后出现了几个问题，并得到了快速的解决。同样，在开发阶段，Spectrum仪器的技术支持也非常快速和到位。”

Nicolas Magnin继续补充道：“我们还使用Spectrum仪器公司的任意波形发生器（AWG）卡片来模拟冲击电流波形，用Spectrum仪器的数字模式发生器卡片发送定时和控制信号，以帮助开发和验证我们测试工作台的监视和保护系统。有时，我们也在Windows上使用LabVIEW作为测试工作台，因为Spectrum仪器的硬件与这个环境是直接兼容的。”

目前，超过140个Spectrum仪器公司的数字化仪卡片被使用在CERN加速器的冲击系统、PCI/PCIe和PXIe平台。

Spectrum仪器公司的首席执行长官Gisela Hassler表示：“CERN是我们的一个典型客户案例，Spectrum仪器凭借卓越的产品性能和品质获得了众多大型研究机构、大学和跨国研发部门的青睐。这些机构和公司的项目通常要持续多年，因此他们需要能够长期依赖的设备。迄今为止，Spectrum仪器的很多产品生命周期超过十余年。同时，我们也为用户提供了五年无忧质保，为用户提供了有力保障。”