CERN大型強子對撞機的機器保護系統中使用了超過140塊Spectrum的數據采集卡。卡片被用來檢查粒子束是否被精確地偏轉。當兩個高能粒子束在27公里的LHC加速器環中以相反的方向接近光速行進時,然后,他們運行數小時后在環附近的四個位置碰撞。這些粒子非常小,以至于使它們發生碰撞的任務類似于以相距10公里用兩根針去碰撞。

兩個光束的能量非常高,在失去光束控制的情況下,LHC機器可能遭受嚴重損壞。為了在緊急情況下或在碰撞運行結束時安全地處置,LHC電子束傾倒系統(LBDS)必須在一次旋轉內從LHC中提取,并將其運輸到位于700m外的吸收體內。在每次束流收集器,后操作檢查系統將確保LBDS內的所有的因素都正確執行,并且光束需完整的提取出來。
一個關鍵的部分是檢查快速脈沖磁鐵,稱為沖擊磁鐵,準確地使粒子束從LHC環中精確的偏離。數據采集卡用于捕獲當前脈沖波形,以檢查它們是否具有正確的形狀并與光束完全同步。LBDS引出磁鐵電流脈沖本身大約為20 kA,其上升時間小于3μs,同步誤差小于20納秒。僅在LBDS中,對于每一個波束收集器,使用數據采集卡獲取將近500個模擬信號,并且使用數字I/O卡捕獲超過150個同步信號。
“我們已經開發了自己的波形采集和分析框架,稱為IPOC(Internal Post Operation Check),”CERN加速器束傳輸組的軟件團隊負責人NicolasMagnin解釋道。“這是用C++編寫的,它包括一個基于Linux的硬件抽象層,使我們能夠與多種類型的數字化卡連接。我們使用各種來自Spectrum的數字化卡來用于所有CERN加速器的激磁磁鐵控制,它們在帶寬和動態范圍方面具有不同的要求。這種不同的卡使我們能夠覆蓋從10 MS/s到500 MS/s的帶寬范圍,以及根據不同應用從8到16位的分辨率。
對于這些跳躍脈沖事件的測量,需要非常高的精度水平。例如,最苛刻的系統,脈沖與脈沖間的誤差延遲需要低于10納秒,以及在動態范圍為16的范圍內低于0.5%的幅度。為了實現這一點,采集的精度必須更大一個數量級,因此,例如,具有2 ns的時間分辨率和大于10的有效位數(ENOB)的M4i.4451-x8數據采集卡。當激勵器電流信號動態不固定時,使用數字轉換器的各種輸入范圍來優化采集波形的信噪比。幾乎所有波形都保存在日志的數據庫中,用于以后的離線分析。此外,所有波形分析結果(例如,延遲、長度、上升時間、下降時間、平頂振幅等)被存儲在日志數據庫中,以提取隨時間變化的趨勢,以檢查系統穩定性、溫度依賴性等。
“我們選擇了Spectrum的產品,因為它們以非常有競爭力的性價比,”Nicolas Magnin補充道。“它們很容易用用戶友好的軟件工具設置,并且驅動很容易在Linux操作環境下編譯和部署。文檔和編碼示例都非常清晰,這使得用起來非常容易。在過去的八年里,我們已經購買了一些Spectrum采集卡,其中只有兩個出現問題,Spectrum的維修和返回非常快。同樣,他們的支持非常迅速,在發展階段我們的問題得到了答案。
“我們還利用Spectrum的任意波形發生器(AWG)卡來模擬沖擊電流波形和Spectrum數字模式發生器卡,以發送定時和控制信號,以幫助開發和驗證我們測試臺上的監視和保護系統。我們有時也會在Windows上使用LabVIEW作為測試平臺,因為Spectrum Instrumentation硬件與此環境直接兼容。“
目前,在PCER/PCIE和最近的PXEI平臺上,在CERR系統上使用了超過140種Spectrum的卡。
“CERN使用我們的數據采集卡是我們客戶的典型例子,”Spectrum的首席執行官Gisela Hassler說。“主要研究機構、大學和跨國研發部門選擇我們的產品,因為它們的質量。他們的項目經常運行很多年,所以他們希望能夠長期依賴的設備。我們有許多產品仍在使用,超過十年。這也是為什么我們提供五年質保,為客戶設計和運行實驗提供了多年的安心。
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