Roberto Losito, CERN
Mesurer et contrôler, en temps réel, la position des composants en vrac pour absorber les particules énergétiques hors du noyau nominal du faisceau avec une fiabilité et une précision élevées sur l'accélérateur de particules le plus puissant au monde, le Large Hadron Collider (LHC).
Utiliser LabVIEW, le module LabVIEW Real-Time, le module LabVIEW FPGA et le logiciel NI SoftMotion avec le matériel d'E/S reconfigurable de NI pour PXI pour développer un système de contrôle de mouvement basé sur FPGA capable d'intercepter des faisceaux de particules incorrects ou instables.
Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN
L’Organisation européenne de recherche nucléaire, plus communément appelée CERN, est le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. Situé à la frontière entre la France et la Suisse, le CERN a été fondé en 1954 et sert d’organisme de recherche où les scientifiques se rassemblent pour étudier les éléments constitutifs de la matière et les forces qui les maintiennent ensemble.
Le CERN s’appuie sur des machines appelées accélérateurs de particules pour écraser des faisceaux d’ions ou de protons ensemble ou dans d’autres cibles. Ces collisions libèrent d’énormes quantités d’énergie – suffisamment pour recréer les conditions de haute énergie qui existaient lors de la formation de l’univers. Les données recueillies à partir des collisions de particules dans le LHC fourniront probablement des informations sans précédent sur l’apparence de notre univers et aideront à répondre à des questions telles que la raison pour laquelle les particules ont de la masse et l’origine de la matière noire.
Le LHC, qui mesure 27 km de circonférence et est enterré jusqu’à 150 m sous terre, est capable de produire des collisions tête-à-tête entre des faisceaux de particules qui voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière. Pour produire ces collisions, le LHC envoie deux faisceaux de protons ou d’autres ions lourds chargés positivement autour du tunnel circulaire dans des directions opposées. Les aimants supraconducteurs qui fonctionnent dans un bain d'hélium superfluide à seulement 1,9 K (-271 °C ou -456 °F) contrôlent la trajectoire des faisceaux LHC. L’énergie totale de chaque faisceau à pleine puissance est de 350 MJ, soit environ l’énergie d’un train de 400 tonnes circulant à 150 km/h et suffisamment d’énergie pour fondre 500 kg de cuivre.
En raison des niveaux d'énergie extrêmement élevés dans les faisceaux, la fiabilité est critique. Un faisceau qui se déplace hors parcours peut causer des dommages catastrophiques au collisionneur. Pour empêcher les particules de s'écarter de leurs trajectoires prévues, nous installons plus de 100 dispositifs appelés collimateurs. Un collimateur utilise des blocs de graphite ou d'autres matériaux lourds pour absorber les particules énergétiques hors du noyau nominal du faisceau. Chaque collimateur est contrôlé avec des modules d'E/S reconfigurables NI montés dans des châssis NI PXI séparés pour la redondance pour un total de 120 systèmes PXI. Dans la configuration standard, un châssis contrôle jusqu’à 15 moteurs pas à pas montés sur trois collimateurs différents via un profil de mouvement de 20 minutes pour aligner de manière précise et synchrone les blocs de graphite, et un second châssis vérifie le positionnement en temps réel des mêmes collimateurs. Dans la phase II du projet, nous prévoyons d’ajouter environ 60 collimateurs supplémentaires et environ 60 systèmes PXI pour un total d’environ 200 systèmes PXI.
Dans un collimateur donné, les deux châssis PXI exécutent LabVIEW Real-Time sur le contrôleur pour la fiabilité et LabVIEW FPGA sur les périphériques d'E/S reconfigurables dans les emplacements périphériques pour effectuer le contrôle du collimateur. Nous utilisons le module de développement NI SoftMotion (qui n’est plus offert) et les modules reconfigurables NI pour créer rapidement un contrôleur de mouvement personnalisé pour environ 600 moteurs pas à pas avec une synchronisation en millisecondes sur les 27 km du LHC. Les matrices de portes programmables sur le terrain (field-programmable gate arrays, FPGA) de ces appareils nous offrent le niveau de contrôle dont nous avons besoin. Nous avons choisi la solution LabVIEW et PXI pour la plate-forme de déploiement en raison de la petite taille, de la robustesse et des économies réalisées par rapport au modèle traditionnel basé sur le contrôleur VME et la logique programmable.
Pour répondre aux strictes exigences de cadencement, de précision et de fiabilité, nous avons choisi un système de contrôle de mouvement et de feed-back basé sur des E/S reconfigurables et LabVIEW FPGA. Nous avons choisi une plate-forme de conception qui n’incorpore que les fonctionnalités dont nous avions besoin sans ajouter de coûts inutiles et qui nous a permis d’éviter de créer nos propres drivers logiciels pour réduire la main-d’œuvre requise pour terminer le système.
Le LHC a commencé à fonctionner le 10 septembre 2008, après quoi un faisceau de protons accélérés est entré dans le tunnel souterrain de 27 km du LHC et a effectué avec succès un tour complet moins d'une heure plus tard, en passant par chacun des détecteurs de particules espacés le long du tunnel. Les scientifiques et les chercheurs du monde entier sont impatients de commencer à découvrir les mystères concernant les éléments constitutifs de l’univers.
Roberto Losito
CERN
Tél. : 41-22-767-6263
& #160;: roberto.losito@cern.ch