CERN, NI LabVIEW 소프트웨어 및 PXI 하드웨어를 사용하여 세계 최대 입자 가속기 제어

저자:

Roberto Losito - CERN
Alessandro Masi - CERN

CERN으로 더 잘 알려진 유럽 핵 연구 기구(European Organization for Nuclear Research)는 세계 최대의 입자 물리학 연구소입니다. 프랑스와 스위스 국경에 위치한 CERN은 1954년에 설립되었으며 과학자들이 모여 물질의 구성 요소와 이를 구성하는 힘을 연구하는 연구 기관입니다.

LHC, 우주에 대한 근본적인 질문에 답할 것으로 기대

CERN은 이온 또는 양자 빔을 서로 충돌시키거나 다른 타겟에 충돌시키기 위해 입자 가속기라는 기계를 사용합니다. 이렇게 충돌이 발생하면 우주가 처음 형성될 때의 높은 에너지 상태를 재현할 수 있을 정도로 엄청난 양의 에너지가 방출됩니다. LHC의 입자 충돌에서 수집된 데이터는 우리 우주가 어떻게 생겨났는지에 대한 전례 없는 정보를 제공하고 입자가 질량을 갖는 이유와 암흑 물질의 기원과 같은 질문에 답하는 데 도움이 될 것입니다.

둘레 27km, 지하 150m까지 묻혀 있는 LHC는 빛의 속도로 이동하는 입자빔을 정면 충돌시킬 수 있습니다. 이러한 충돌을 일으키기 위해 LHC는 두 개의 양성자 빔 또는 양전하를 띤 다른 중이온을 원형 터널에서 서로 반대 방향으로 보냅니다. 1.9K(-271ºC 또는 -456ºF)의 초유체 헬륨 수조에서 작동하는 초전도 자석이 LHC 빔의 궤적을 제어합니다. 최대 출력에서 각 빔의 총 에너지는 350MJ로, 약 150km/h로 이동하는 400톤 열차의 에너지와 500kg의 구리를 녹일 수 있는 에너지입니다.

안전에 필수적인 제어 시스템 신뢰성

빔에서 극도로 많은 에너지가 발생하기 대문에 신뢰도는 매우 중요합니다. 빔이 경로를 이탈하는 경우 기계에 치명적인 타격을 가할 수 있습니다. 입자가 의도한 경로에서 벗어나는 것을 방지하기 위해 시준기라고 하는 100개 이상의 장치를 설치하고 있습니다. 시준기는 흑연 블록 또는 기타 무거운 재료를 사용하여 공칭 빔 코어에서 에너지 입자를 흡수합니다. 각 시준기는 각 NI PXI 섀시에 장착된 NI 재구성 가능한 I/O 모듈로 제어되며 그 수는 중복성을 위해 총 120개의 PXI 시스템에 달합니다. 표준 구성에서 하나의 섀시는 20분 모션 프로파일을 통해 3개의 다른 시준기에 장착된 최대 15개의 스테퍼 모터를 제어하여 흑연 블록을 정확하고 동기적으로 정렬하고, 두 번째 섀시는 동일한 시준기의 실시간 위치를 확인합니다. 프로젝트의 2단계에서는 약 60개의 시준기와 약 60개의 PXI 시스템, 총 약 200개의 PXI 시스템을 추가할 계획입니다.

주어진 시준기에서 두 PXI 섀시는 안정성을 위해 컨트롤러에서 LabVIEW Real-Time을 실행하고 주변 슬롯의 재구성 가능한 I/O 디바이스에서 LabVIEW FPGA를 실행하여 시준기 제어를 수행합니다. 우리는 NI SoftMotion Development Module(더 이상 제공되지 않음) 및 NI 재구성 가능한 모듈을 사용하여 LHC의 27km에 걸쳐 밀리초로 동기화된 약 600개의 스테퍼 모터를 위한 맞춤형 모션 컨트롤러를 신속하게 생성합니다. 이러한 디바이스의 FPGA(Field-Programmable Gate Array)는 우리가 필요로 하는 수준의 제어를 제공합니다. 우리는 기존의 VME 및 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러 기반의 모델에 비해 크기, 견고성, 비용면에서 뛰어나기 때문에 LabVIEW와 PXI를 배포 플랫폼으로 선택하였습니다.

엄밀한 타이밍, 정확도 및 신뢰성을 위한 솔루션

엄격한 타이밍, 정확도 및 신뢰성 요구 사항을 충족하기 위해 우리는 재구성 가능한 I/O 및 LabVIEW FPGA를 기반으로 하는 모션 제어 및 피드백 시스템을 선택했습니다. 불필요한 비용을 추가하지 않고 필요한 기능만 통합한 설계 플랫폼을 선택하였고 자체 소프트웨어 드라이버를 만드는 것을 피해 시스템을 완성하는 데 필요한 인력을 줄일 수 있었습니다.

LHC는 2008년 9월 10일에 작동을 시작했고, 그 후 가속된 양성자 빔이 LHC의 17마일 지하 터널에 들어갔고 터널을 따라 설치된 입자 탐지기를 통과하여 한 시간도 채 되지 않아 한 바퀴를 성공적으로 완료했습니다. 전 세계의 과학자들과 연구원들은 우주의 구성 요소에 관한 신비를 밝히기 시작하게 된 것을 기쁘게 생각합니다. 

저자 정보:

Roberto Losito
CERN
전화: 41-22-767-6263
이메일: roberto.losito@cern.ch