大型强子对撞机 机器保护系统
CERN(欧洲核子研究中心)的大型强子对撞机 (LHC) 的机器保护系统中使用了140 多张虹科数字化仪卡。这些板卡用于检查粒子束是否已准确偏转。这需要极高的精度,因为在 27 公里 LHC 加速器环中,两束高能粒子束以接近光速的相反方向行进,并且让它们在环周围的四个位置碰撞持续几个小时。这些粒子是非常小,以至于让它们碰撞的需求类似于以精确的方式发射两根相距 10 公里的针,并且要求它们在中途碰撞。
LBDS
LHC 光束倾卸系统
两个光束的能量很高,在失去光束控制的情况下,LHC机器会遭受损坏。为了在紧急情况下或在碰撞运行结束时安全地处理光束,LHC电子束倾倒系统(LBDS)必须在一次旋转内从LHC中提取全部光束,并将其运输到位于700m外的吸收体内。
每次光束转储后,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是否准确地使粒子束从LHC环中偏转到提取线。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。例如,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20ns。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。
IPOC
内部操作后检查
“我们已经开发了自己的波形采集和分析框架——IPOC(Internal Post Operation Check),”CERN加速器光束传输小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。我们使用虹科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。这类板卡使我们能够覆盖从10 MS/s到500 MS/s的带宽范围,以及根据不同应用实现从8到16位的分辨率。
虹科M4i.4451-x8
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,具有2 ns的时间分辨率和大于10的有效位数(ENOB)的虹科M4i.4451-x8数据采集卡成为了最佳选择。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。
集成
“我们选择了虹科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,易于使用。在过去的八年里,我们购买了许多虹科Spectrum采集卡,其中只有两个出现问题,虹科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。
“我们还使用虹科Spectrum任意波形发生器 (AWG) 卡来模拟冲击电流波形,并使用虹科Spectrum数字码型发生器卡来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。我们还可以在 Windows 上使用 LabVIEW 进行测试,因为虹科Spectrum硬件与该环境兼容。”
目前,在PCER/PCIE和最近的PXEI平台上,在CERR系统上使用了超过140种虹科Spectrum的卡。
“CERN 使用我们的数字化仪卡是我们客户的典型例子,”虹科Spectrum 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是因为它们的质量。他们的项目通常运行多年,因此他们需要可以长期依赖的设备。我们有许多仍在使用中的产品已经结束十年。这也是我们推出五年保修的原因,让设计和运行实验的人们高枕无忧。”
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