Spectrum儀器140余款數(shù)字化儀在CERN投入使用

德國(guó)Spectrum儀器宣布旗下140余款數(shù)字化儀卡被應(yīng)用于歐洲核子研究組織(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)(LHC)。這些數(shù)字化儀卡主要應(yīng)用于檢查粒子束偏轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)度。在27km的LHC加速環(huán)中，當(dāng)兩個(gè)高能粒子束以接近光速的速度向相反方向運(yùn)行時(shí)，其對(duì)于精準(zhǔn)度的要求極為苛刻。此后，它們?cè)诩铀侪h(huán)周?chē)乃膫€(gè)位置發(fā)生碰撞并運(yùn)行數(shù)小時(shí)。這些粒子極其微小，以至于使它們碰撞的精準(zhǔn)度如同在相距10公里的位置發(fā)射兩根針，并使其在中途相遇的幾率一樣。

這兩個(gè)粒子束儲(chǔ)存著巨大的能量。如果粒子束失控，LHC設(shè)備將會(huì)遭到嚴(yán)重的破壞。為了能夠在緊急情況或碰撞結(jié)束時(shí)安全處理粒子束，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)粒子排放系統(tǒng)(LBDS)必須從LHC的一次運(yùn)轉(zhuǎn)中提取出完整的光束，并將其傳輸?shù)骄嚯xLHC環(huán)約700米遠(yuǎn)的吸收區(qū)。在每束粒子束排放后，操作后的檢查系統(tǒng)將確保LBDS的全部元素能夠正常運(yùn)作，同時(shí)粒子束能被完全提取出來(lái)。

快速脈沖磁鐵又稱(chēng)為沖擊磁鐵，最重要的一個(gè)步驟是檢查從LHC環(huán)到提取線上粒子束偏轉(zhuǎn)的精確性。數(shù)字化儀卡片用于捕獲當(dāng)前的脈沖波形，以檢查它們的形狀是否正確，并與粒子束同步。具體來(lái)說(shuō)，LBDS提取磁鐵電流脈沖約為20 kA，上升時(shí)間小于3µs，同步誤差小于20 ns。如果單獨(dú)考慮LBDS中每個(gè)粒子束的排放事件，數(shù)字化儀卡片會(huì)獲取500個(gè)模擬信號(hào)，數(shù)字I/O卡將獲取150余個(gè)同步信號(hào)。

CERN加速器粒子束傳輸小組的軟件部負(fù)責(zé)人Nicolas Magnin解釋道：“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了自己的波形采集和分析框架，稱(chēng)為IPOC(Internal Post Operation Check)。它在Linux系統(tǒng)上使用c++編程，還包括一個(gè)硬件抽象層，使我們能夠與許多類(lèi)型的數(shù)字化儀卡片進(jìn)行交互。我們使用了Spectrum儀器公司的多種數(shù)字化儀卡片，以涵蓋CERN加速器所需的全部沖擊磁鐵類(lèi)型，因?yàn)樗鼈冊(cè)趲捄蛣?dòng)力學(xué)方面有不同的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，我們通過(guò)Spectrum儀器的產(chǎn)品能夠涵蓋10MS/s至500MS/s范圍區(qū)間的帶寬，分辨率可達(dá)8位至16位。”

測(cè)量沖擊脈沖事件對(duì)精準(zhǔn)度要求極高。例如，高需求的系統(tǒng)要求脈沖到脈沖的再現(xiàn)性錯(cuò)誤延遲低于10ns，而在動(dòng)態(tài)范圍為16的情況下振幅低于0.5%。為了達(dá)到這一目標(biāo)，獲取的精確度必須具有更大的數(shù)量級(jí)。因此，諸如Spectrum儀器的時(shí)間分辨率為2ns，有效位數(shù)(ENOB)大于10的M4i.4451-x8數(shù)字化儀就成為了最佳的選擇。由于沖擊電流的信號(hào)動(dòng)態(tài)不固定，因此數(shù)字化儀的各種輸入范圍被用來(lái)優(yōu)化所獲取的波形的信噪比。幾乎所有的波形都保存在日志數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后期離線分析。此外，所有波形分析結(jié)果(例如:延遲、長(zhǎng)度、上升時(shí)間、下降時(shí)間、平頂振幅等)都存儲(chǔ)在日志數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于提取隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，檢查系統(tǒng)穩(wěn)定性、溫度依賴(lài)性等。

Nicolas Magnin還表示：“Spectrum儀器公司的產(chǎn)品性能卓越，價(jià)格極具競(jìng)爭(zhēng)力。他們?yōu)橛脩?hù)提供的軟件工具簡(jiǎn)單易用，并且驅(qū)動(dòng)源和我們的Linux操作環(huán)境非常契合。此外，Spectrum儀器為用戶(hù)提供的編程文檔示例使我們非常容易上手。在過(guò)去的8年里，我們購(gòu)買(mǎi)了大量的Spectrum儀器公司的數(shù)字化儀卡片，只是在超出保修期后出現(xiàn)了幾個(gè)問(wèn)題，并得到了快速的解決。同樣，在開(kāi)發(fā)階段，Spectrum儀器的技術(shù)支持也非?？焖俸偷轿弧?rdquo;

Nicolas Magnin繼續(xù)補(bǔ)充道：“我們還使用Spectrum儀器公司的任意波形發(fā)生器(AWG)卡片來(lái)模擬沖擊電流波形，用Spectrum儀器的數(shù)字模式發(fā)生器卡片發(fā)送定時(shí)和控制信號(hào)，以幫助開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證我們測(cè)試工作臺(tái)的監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)。有時(shí)，我們也在Windows上使用LabVIEW作為測(cè)試工作臺(tái)，因?yàn)镾pectrum儀器的硬件與這個(gè)環(huán)境是直接兼容的。”

目前，超過(guò)140個(gè)Spectrum儀器公司的數(shù)字化儀卡片被使用在CERN加速器的沖擊系統(tǒng)、PCI/PCIe和PXIe平臺(tái)。

Spectrum儀器公司的首席執(zhí)行長(zhǎng)官Gisela Hassler表示：“CERN是我們的一個(gè)典型客戶(hù)案例，Spectrum儀器憑借卓越的產(chǎn)品性能和品質(zhì)獲得了眾多大型研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和跨國(guó)研發(fā)部門(mén)的青睞。這些機(jī)構(gòu)和公司的項(xiàng)目通常要持續(xù)多年，因此他們需要能夠長(zhǎng)期依賴(lài)的設(shè)備。迄今為止，Spectrum儀器的很多產(chǎn)品生命周期超過(guò)十余年。同時(shí)，我們也為用戶(hù)提供了五年無(wú)憂(yōu)質(zhì)保，為用戶(hù)提供了有力保障。”