Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung Magnetfeldmessungen für CERN and der Grenze des Machbaren

Für das Kernforschungszentrum CERN liefert Analog Devices Signalverarbeitungs-ICs, mit deren Hilfe supraleitende Magnete mit maximaler Leistungsfähigkeit realisiert werden können. Der damit entwickelte Fast Digital Integrator erreicht die hundertfache Auflösung und Frequenzbandbreite des Vorgängers.

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Analog Devices

Das in der Schweiz ansässige europäische Kernforschungszentrum CERN und die Universität Sannio (Benevent/Italien) haben gemeinsam ein Gerät zur Magnetfeldmessung in den supraleitenden Magneten des großen Hadronen-Speicherrings Large Hadron Collider (LHC) des CERN entwickelt. Das als FDI-Board (Fast Digital Integrator) bezeichnete Messinstrument enthält A/D-Wandler, analoge Multiplexer und DSP-Komponenten von Analog Devices und verleiht dem LHC die leistungsfähigste Magnetfeldmessung, die bisher je erreicht wurde.

Die als Fast-Digital-Integrator-Board bezeichnete Instrumentenplatine zur Magnetfeldmessung kommt auf eine hundertmal größere Frequenzbandbreite und Auflösung als sein Vorgänger. Sie unterstützt die extrem präzise Strahlformung im leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger der Welt

Diese entscheidende Vergrößerung des Dynamikbereichs erlaubt den Wissenschaftlern die Erkennung von noch kleineren Artefakten, die Änderungen des Magnetfelds, Feldabschwächungen und weitere zeitabhängige Phänomene hervorrufen, die typisch für supraleitende Beschleunigermagnete mit hohen Feldstärken sind und sich allesamt negativ auf die Qualität der zu untersuchenden Teilchenstrahlen auswirken.

Die neuen FDI-Boards dienen beim CERN zur Messung des magnetischen Flusses mit 10 Umdrehungen pro Sekunde mithilfe schnell rotierender, kalibrierter Spulen, mit denen das von den LHC-Beschleunigermagneten erzeugte Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 8 Tesla gemessen wird.

Bisher war weder die Genauigkeit noch die Auflösung ausreichend

„Bevor es das FDI-Board gab, boten die verfügbaren elektronischen Bauteile nicht genügend Genauigkeit und Auflösung, die im Fall des LHC ohne weiteres bis 10 ppm betragen kann“, erklärte Pasquale Arpaia, Professor für Technik an der Universität Sannio. „Wir haben uns für die Zusammenarbeit mit Analog Devices entschieden, weil die Produkte, die Dokumentation und der Support dieses Unternehmens durch hohe Qualität gekennzeichnet sind. Dies wiederum trug dazu bei, dass mit dem FDI neue magnetische Untersuchungsregionen aufgedeckt werden konnten, die wir bis dahin nicht erkunden konnten.“

Der LHC ist nicht nur der größte und energiereichste Teilchenbeschleuniger der Welt, sondern auch die größte je von Menschen gebaute Maschine. Nachdem im Jahr 2003 mit dem Bau begonnen wurde, nahm der LHC 2008 seinen Betrieb auf. Der LHC dient dazu, einige der grundlegendsten Fragen der Physik zu beantworten und die elementarsten Naturgesetze zu verstehen. Weitere Informationen über das CERN liefern verschiedene Videos: http://cdsweb.cern.ch/collection/Videos

Geschwindigkeit und Rauscharmut der ADI-ICs war entscheidend

Die Bauelemente von Analog Devices überzeugten die Forscher am CERN durch ihre Geschwindigkeit, Leistung und Rauscharmut. Folgenden ADI-Bauteile wurden für den Einsatz auf dem FDI-Board spezifiziert:

A/D-Wandler AD7634: 18-Bit-Analog-Digital-Wandler mit einem herausragenden SINAD-Wert (Signal-to-Noise and Distortion Ratio) von 101 dB bei der maximalen Abtastrate von 670 KSPS (tausend Abtastungen pro Sekunde).

Multiplexer ADG406: Multiplexer mit einer Kombination aus hoher Schaltgeschwindigkeit, geringer Verlustleistung und niedrigem On-Widerstand.

SHARC-DSP ADSP-21262: 32-Bit/40-Bit-Gleitkommaprozessor, optimiert für hochleistungsfähige Signalverarbeitungs-Applikationen und ausgestattet mit zwei Recheneinheiten, einem integrierten SRAM von 2 MBit, mehreren integrierten Bussen zur Vermeidung von E/A-Engpässen sowie einem innovativen digitalen Applikations-Interface.

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