Roberto Losito, CERN
Medir y controlar, en tiempo real, la posición de los componentes por volumen para absorber partículas energéticas fuera del núcleo del haz nominal con alta fiabilidad y precisión en el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
Usando LabVIEW, el LabVIEW Real-Time Module, el LabVIEW FPGA Module y el software NI SoftMotion con hardware de E/S reconfigurable de NI para PXI para desarrollar un sistema de control de movimiento basado en FPGA capaz de interceptar haces de partículas mal guiados o inestables.
Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN
La Organización Europea para la Investigación Nuclear, más conocida como CERN, es el laboratorio de física de partículas más grande del mundo. Ubicado en la frontera entre Francia y Suiza, el CERN fue fundado en 1954 y sirve como una organización de investigación donde los científicos se reúnen para estudiar los componentes fundamentales en cuestión y las fuerzas que los mantienen unidos.
El CERN se basa en máquinas llamadas aceleradores de partículas para chocar haces de iones o protones, ya sea entre ellos o contra otros objetivos. Estas colisiones liberan enormes cantidades de energía, suficientes para recrear las condiciones de alta energía que existieron durante la formación del universo. Los datos recopilados de las colisiones de partículas en el LHC probablemente proporcionarán información sin precedentes sobre cómo surgió nuestro universo y ayudarán a responder preguntas como por qué las partículas tienen masa y cuál es el origen de la materia oscura.
El LHC, con 27 km de circunferencia y enterrado hasta 150 m bajo tierra, es capaz de producir colisiones frontales entre haces de partículas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz. Para producir estas colisiones, el LHC envía dos haces de protones u otros iones pesados cargados positivamente alrededor del túnel circular en direcciones opuestas. Los imanes superconductores que operan en un baño de helio superfluido a solo 1.9 K (-271 ºC o -456 ºF) controlan la trayectoria de los haces del LHC. La energía total de cada haz a plena potencia es de 350 MJ, aproximadamente la energía de un tren de 400 toneladas que viaja a 150 km/h y la energía suficiente para fundir 500 kg de cobre.
Debido a los niveles de energía extremadamente altos en los haces, la fiabilidad es fundamental. Un haz que se desvía del rumbo puede causar daños catastróficos al colisionador. Para evitar que las partículas se desvíen de sus trayectorias previstas, estamos instalando más de 100 dispositivos llamados colimadores. Un colimador utiliza bloques de grafito u otros materiales pesados para absorber las partículas energéticas fuera del núcleo del haz nominal. Cada colimador se controla con módulos de E/S reconfigurables de NI montados en distintos chasis NI PXI separados para redundancia para un total de 120 sistemas PXI. En la configuración estándar, un chasis controla hasta 15 motores de pasos montados en tres colimadores diferentes a través de un perfil de movimiento de 20 minutos para alinear con precisión y sincronización los bloques de grafito, y un segundo chasis verifica el posicionamiento en tiempo real de los mismos colimadores. En la fase II del proyecto, planeamos agregar alrededor de 60 colimadores más y aproximadamente 60 sistemas PXI para un total de cerca de 200 sistemas PXI.
En un colimador determinado, ambos chasis PXI ejecutan LabVIEW Real-Time en el controlador para mayor fiabilidad y LabVIEW FPGA en los dispositivos de E/S reconfigurables en las ranuras periféricas para realizar el control del colimador. Usamos el NI SoftMotion Development Module (que ya no se vende) y los módulos reconfigurables de NI para crear rápidamente un controlador de movimiento personalizado para aproximadamente 600 motores de pasos con sincronización de milisegundos en los 27 km del LHC. Los arreglos de compuertas programables en campo (FPGA) en estos dispositivos nos brindan el nivel de control que necesitamos. Seleccionamos la solución de LabVIEW y PXI como la plataforma de implementación debido a su tamaño pequeño, robustez y ahorros en comparación con el modelo tradicional basado en VME y controladores lógicos programables.
Para cumplir con los estrictos requisitos de sincronización, precisión y fiabilidad, elegimos un sistema de retroalimentación y control de movimiento basado en E/S reconfigurable y LabVIEW FPGA. Seleccionamos una plataforma de diseño que incorporaba solamente las características que necesitábamos sin agregar costos innecesarios y nos ayudó a evitar la creación de nuestros propios controladores de software para reducir la mano de obra necesaria para completar el sistema.
El LHC comenzó a funcionar el 10 de septiembre de 2008, momento en el que un haz de protones acelerados entró en el túnel subterráneo de 17 millas del LHC y completó con éxito una vuelta completa una hora antes, pasando por cada uno de los detectores de partículas espaciados a lo largo del túnel. Los científicos e investigadores de todo el mundo están entusiasmados de comenzar a descubrir los misterios relacionados con los componentes fundamentales del universo.
Roberto Losito
CERN
Tel: 41-22-767-6263
roberto.losito@cern.ch