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Messtechnik Über 140

Messtechnik Über 140 Digitizer im Einsatz am CERN Nutzung im Schutzsystem des großen CERN Teilchenbeschleunigers LHC Der Large Hadron Collider ist der weltweit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger Spectrum Instrumentation GmbH info@spec.de www.spectruminstrumentation.com Über 140 Digitizer-Karten von Spectrum Instrumentation kommen in den Maschinenschutzsystemen des Large Hadron Collider (LHC) am CERN zum Einsatz. Die Karten werden verwendet, um zu überprüfen, ob die Teilchenstrahlen genau abgelenkt wurden. Dafür ist eine hohe Präzision erforderlich, weil sich im 27 km langen Beschleunigerring zwei hochenergetische Teilchenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung bewegen. Bei mehrstündigen Durchläufen werden sie dann an vier Orten des Rings zur Kollision gebracht. Die Elementarteilchen sind so winzig, dass die Präzision für einen Zusammenstoß so groß sein muss, als würde man zwei Nadeln im Abstand von 10 Kilometern abfeuern um sich in der Mitte exakt treffen zu lassen. Hohe Energie Die Energie der beiden Strahlen ist so hoch, dass der Large Hadron Collider im Falle eines Kontrollverlustes schweren Schaden nehmen könnte. Um die Teilchenstrahlen im Notfall oder am Ende eines Kollisionslaufs sicher ableiten zu können, muss das “LHC Beam Dumping System” (LBDS) die vollständigen Strahlen einer Umrundung aus dem LHC entnehmen und zu einem etwa 700 m entfernten Absorberblock transportieren. Nach dem Ende des Durchlaufs stellen Post Operation-Kontrollsysteme sicher, dass alle Elemente des LBDS korrekt gearbeitet haben und die Strahlen sauber extrahiert wurden. Schlüsselelement Ein Schlüsselelement ist die Überprüfung, ob die schnell gepulsten Magneten (sogenannte Kicker- Magnete) die Teilchenstrahlen von den LHC-Ringen präzise in die Entnahmeröhren gelenkt haben. Dabei werden Digitizer-Karten verwendet, um die aktuellen Pulswellenformen zu erfassen und zu prüfen, ob sie die richtige Form hatten und korrekt mit dem Strahl synchronisiert waren. Beim Beenden eines Durchlaufs betragen die Strom-Impulse der Kicker-Magnete beeindruckende 20.000 Ampere, mit Anstiegszeiten von weniger als 3 µs und einem Synchronisationsfehler von unter 20 ns. Beim LBDS werden für jedes Extrahieren und Umleiten der Teilchenstrahlen fast 500 analoge Signale mit Hilfe von Digitizer-Karten erfasst und mehr als 150 Synchronisationssignale mit Digital I/O-Karten festgehalten. „Wir haben unser eigenes System für die Signalerfassung und -analyse 22 PC & Industrie 6/2018

Messtechnik entwickelt, wir nennen es IPOC, Internal Post Operation Check“, erklärt Nicolas Magnin, Software-Teamleiter der Accelerator Beam Transfer Group am CERN. „Es ist mit C ++ unter Linux programmiert und enthält einen Hardware-Abstraction- Layer, der es uns ermöglicht, mit vielen Arten von Digitizer-Karten zu kommunizieren. Wir verwenden eine Vielzahl von Digitizer-Karten von Spectrum Instrumentation, um sämtliche unterschiedliche Kicker- Magneten aller CERN-Beschleuniger zu überprüfen. Mit dieser Kartenvielfalt können wir je nach Anwendung einen Bandbreitenbereich von 10 MS/s bis 500 MS/s und eine Auflösung von 8 bis 16 Bit abdecken.” Kickerpulsereignisse Für die Messungen dieser Kickerpulsereignisse ist natürlich eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich. Zum Beispiel erfordern die anspruchsvollsten Systeme einen Puls-zu-Puls- Reproduzierbarkeitsfehler für die Verzögerung von weniger als 10 ns und für die Amplitude von weniger als 0,5% innerhalb eines dynamischen Bereichs von 16. Um dies zu erreichen, muss die Genauigkeit der Erfassung um eine Größenordnung höher sein. Daher erfolgte z.B. die Wahl eines M4i.4451-x8 Digitizers von Spectrum mit einer Auflösung von 2 ns und einer effektiven Auflösung (ENOB) größer als 10. Weil die Dynamik des Kicker-Stroms nicht festgelegt ist, werden die verschiedenen Eingangsbereiche der Digitizer-Karte dazu verwendet, das Signal-Rausch-Verhältnis der erfassten Wellenform zu optimieren. Fast alle Wellenformen werden zur späteren Offline-Analyse in einer Datenbank gespeichert. Außerdem werden alle Ergebnisse dieser Analyse (z. B. Verzögerung, Länge, Anstiegszeit, Abfallzeit, Flat-Top-Amplitude) ebenfalls in der Datenbank gespeichert, um Trends zu erkennen bei der Überprüfung von Systemstabilität, Temperaturabhängigkeit usw. Benutzerfreundliche Software-Tools „Wir haben uns für Spectrum Instrumentation-Produkte entschieden, weil sie hervorragende Qualität zu einem sehr wettbewerbsfähigen Preis bieten“, fügt Nicolas Magnin hinzu. „Sie lassen sich sehr einfach mit benutzerfreundlichen Software-Tools einrichten, und die Treiberquellen können problemlos in unserer Linux-Betriebsumgebung kompiliert und bereitgestellt werden. Besonders schätze ich die mitgelieferten Dokumentationen und Programmierbeispiele, die den Einstieg erleichtern. Wir haben in den letzten acht Jahren reichlich Spectrum Instrumentation-Karten gekauft. Nur bei sehr wenigen Karten gab es Probleme außerhalb der Garantiezeit, die Spectrum Instrumentation schnell behoben hat. Auf unsere Fragen während der Entwicklungsphasen gab es vom Spectrum Team ebenfalls sehr schnell die hilfreichen Antworten.” „Wir verwenden auch Arbitrary Waveform Generator (AWG) -Karten von Spectrum Instrumentation, um Kicker-Stromwellenformen zu simulieren. Außerdem benutzen wir Digital Pattern Generator-Karten von Spectrum für Timing- und Steuersignale. Das alles wird benötigt, um Überwachungs- und Schutzsysteme auf unseren Prüfständen zu entwickeln und zu testen. Manchmal verwenden wir auch LabVIEW unter Windows für die Prüfstände, da Spectrum Instrumentation Hardware direkt mit dieser Umgebung kompatibel ist.“ Mehr als 140 PC-Karten von Spectrum Instrumentation werden derzeit für Kicker-Systeme an allen CERN-Beschleunigern verwendet, auf PCI / PCIe und neuerdings auch PXIe-Plattformen. „CERNs Verwendung unserer Digitizer ist ein gutes Beispiel, warum sich Kunden für unsere Produkte entscheiden“, sagt Gisela Hassler, CEO von Spectrum. „Große Forschungseinrichtungen, Universitäten und multinationale F&E-Abteilungen wählen unsere Produkte aufgrund ihrer Langlebigkeit. Ihre Projekte laufen oft über viele Jahre, deshalb brauchen sie Equipment, auf das sie sich für lange Zeit verlassen können. Wir haben unsere Gewährleistungsfrist auf fünf Jahre verlängert und können auch für 15 Jahre alte Karten noch Beratung, Reparaturen und sogar Nachfertigung anbieten.” ◄ LBDS HV-Generatoren im LHC-Tunnel. Jeder blaue Computer enthält mehrere Digitizer von Spectrum Instrumentation, um den internen Strom der HV-Generatoren zu erfassen PC & Industrie 6/2018 23