冒牌自然老師

超導體磁場用以控制粒子束傳動軌道，其中所蘊含的能量足以熔化 500 公斤的純銅。


位於地底下 150 公尺深，且週長達 27 公里的大型強子對撞器 (LHC)，將於粒子束 (Particle beam) 之間產生趨近於光速的強子。

"針對世界第一大的粒子加速器：大型強子對撞器 (Large Hadron Collider，LHC)，進行散裝元件的精確即時量測與控制作業。"

冒牌老師註:這是由NI公司(National Instruments)介紹自己客戶的網頁上引下文章, 主要在介紹該公司軟體產品LabVIEW. 剛好介紹了CERN的LHC..
http://www.ni.com/zht/

作者:
Alessandro Masi - CERN
Roberto Losito - CERN

產業別:
研究, 機器/機制

產品別:
資料擷取, 即時模組, R 系列, LabVIEW, SoftMotion 控制器, PXI/CompactPCI, FPGA 模組

挑戰:
針對世界第一大的粒子加速器：大型強子對撞器 (Large Hadron Collider，LHC)，進行散裝元件的精確即時量測與控制作業，以隨時吸收出脫的額定粒子束 (Nominal beam) 核心的高能粒子 (Energetic particle)。

解決方案:
使 用 LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module，與 NI SoftMotion 軟體，並搭配 PXI 介面的 NI R 系列可重設 I/O 硬體，以開發 FPGA 架構的運動控制系統，並用以攔截失控或不穩定的粒子束。

歐洲核子研究組織，即大家所熟知的 CERN，為世界最大的微粒物理實驗室。CERN 創立於 1954 年，座落於法國與瑞士的交界處，為集結眾多科學家研究「構成之最小單位 (the building blocks of matter)」的研究組織。

大型強子對撞器 (LHC) 即將解開宇宙生成的迷團

CERN 使用稱為粒子加速器的機器，進行離子束或質子束的相互碰撞，或碰撞其他目標。這些碰撞作用將釋放出巨大能量 – 足以重新建立宇宙形成期間的高能量狀態。從 LHC 所蒐集到的粒子碰撞資料，將提供從未有過的宇宙生成相關資訊，並將解答粒子具有質量的原因，與黑暗物質 (Dark matter) 的起源。

LHC 的週長達 27 公里，並位於地下 150 公尺處，可將粒子束加速至近乎光速之後直接對撞。為了產生此種撞擊作用，LHC 將送出 2 組質子束，並沿著圓形通道的相反方向送出正電荷的重離子 (Heavy ion)。超導體磁場將灌注僅 1.9 K (即攝氏 -271 ºC 或華氏 -456 ºF) 的低溫液態氦，以控制 LHC 的軌道。軌道全功率的總能量可達 350 MJ，該能量可供 400 噸火車以 150 km/h 時速行進，或可熔化 500 公斤的純銅。

控制系統將與整體的安全性息息相關

由於粒子束的能量極高，因此系統的穩定性更為重要。只要有 1 個粒子出脫軌道之外，對撞器就會產生無法彌補的嚴重破壞能量。為了避免粒子離開應行進的路徑，我們安裝了超過 100 組的雷射準直儀 (Collimator)。雷射準直儀將使用石墨進行作業，避免其他重金屬將高能粒子吸引離開額定光束的核心。每組雷射準直儀由可重設 I/O 模組進行控制，各模組均固定於獨立的 NI PXI 機箱；並共有 120 組 PXI 系統作為後援系統。在標準設定中，1 組機箱可透過 20 分鐘的運動設定資料，控制固定於 3 組不同雷射準直儀的最多 15 組步進馬達，以精確並同步調校石墨塊；而另 1組機箱負責檢驗相同雷射準直儀的即時定位。在專案的第二階段中，我們計畫新增約 60 組以上的雷射準直儀與 60 組 PXI 系統，以達共約 200 組 PXI 系統。

在現有的雷射準直儀中，PXI 機箱將同時於控制器中執行 LabVIEW Real-Time 以達穩定性，並於週邊插槽的可重設 I/O 裝置中執行 LabVIEW FPGA，以控制雷射準直儀。針對 27 公里長的 LHC，將近 600 組步進馬達與毫秒 (Millisecond) 精確單位的同步化作業，我們使用 NI SoftMotion Development Module 與 NI 可重設模組，以迅速建立客制化的運動控制器。這些裝置上的 FPGA 確實提供了所需的控制效能。與傳統的 VME 與可程式化邏輯控制器 (PLC) 架構的模型相較，基於體積精巧、堅固耐用，且節省成本的優點，我們選擇了 LabVIEW 與 PXI 系統做為佈署平台的解決方案。

精確時脈與穩定性的解決方案

為了符合時脈、精確度，與穩定度的嚴格需求，我們選擇以可重設 I/O 與 LabVIEW FPGA 為架構的運動控制與反饋 (Feedback) 系統。我們所選擇的設計平台可完全符合我們所需的功能，且不需其他無謂的成本；同時不需另外建立軟體驅動程式，更大幅降低建置系統所需的人力。

LHC 已排定於 2008 年夏季開始作業，而全世界科學家與研究者，均興致勃勃的等待使用 LHC 探索宇宙構成之最小單位。

若要觀看此應用的相關影片，請點選下方連結：
http://www.youtube.com/watch?v=MjHals9hDz0

作者資訊:
Roberto Losito
CERN
Tel: 41-22-767-6263
roberto.losito@cern.ch

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