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Front view of Cern's collider tube in the underground facility.
Front view of Cern's collider tube in the underground facility.
 

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精密测量技术如何助力实现科学突破


总部位于瑞士的欧洲粒子物理实验室——欧洲核子研究委员会(CERN)正在开发的高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)将成为世界上观测构成宇宙的基本物质核心的强大仪器。在这个过程中,将会扩展精密测量技术能够达到的前沿。

Front view of Cern's headquarters showing The Cern's Globe landmark building located in Geneva, Switzerland.
“环球”,这是总部位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究委员会的标志性建筑。
Front view of Cern's Compact Muon Solenoid detector technology.
紧凑渺子线圈(CMS)探测器,每秒可捕捉高达4000万次粒子碰撞的3D图像。

高亮度大型强子对撞机本身是原始大型强子对撞机粒子加速器的更强大的升级版。原始大型强子对撞机是一个27公里长的超导磁体环,其中粒子以接近光速的速度相互碰撞,粒子每秒在27公里长的电路中穿行11,245次。每秒钟有10亿个粒子发生碰撞。对碰撞结果的分析为物理学和宇宙本质的研究带来了许多突破,其中最著名的是实验中发现希格斯玻色子,希格斯玻色子是与希格斯场相关的粒子。

10亿
欧洲核子研究委员会的大型强子对撞机每秒产生的新粒子对撞的次数。

希格斯玻色子是物理学解释宇宙的标准模型的一部分。早在20世纪60年代,人们就已开始推测可能存在希格斯玻色子,但直到通过大型强子对撞机进行粒子碰撞探测,才得到实验证明。CERN就是一个现实例证,表明当科学家们利用世界上最先进的测量技术时,往往能得到惊人的发现,不断扩大人类的知识边界。

在其生命周期内,高亮度大型强子对撞机有望产生比欧洲核子研究委员会的现有粒子加速器多十倍的碰撞,为科学研究提供更强大的实验平台。

高亮度大型强子对撞机通过让粒子束聚焦到更小的空间来增加粒子碰撞的次数。粒子束由超强磁铁引导聚焦,这需要精确调节的新电源。欧洲核子研究委员会的工程师们开发了有史以来最精确、最稳定的测量系统之一,以测量高达18kA的电流。该电路采用ADI公司开发的先进电子测量技术,协助将低频噪声降低2倍。

Graphics illustrating CERN's HL-LHC particle accelerator collision models and simulations.
欧洲核子研究委员会的高亮度大型强子对撞机粒子加速器碰撞模型。

图片由欧洲核子研究委员会提供

精密挑战

先进的科学研究要求电子电路在稳定性、精度、灵敏度、准确性和可靠性方面达到测量技术的极限。ADI公司的精密技术平台IC设计经理Eric Modica表示:“高亮度大型强子对撞机目前的测量降噪规范只是先进的科学研究中的一个常见要求示例,不仅是基础物理学,还包括医学研究、药理学、化学分析和材料科学。”

合作推动科学发展

前沿科学需要大规模的研究探索,需要多个部门和团队合作努力。高亮度大型强子对撞机项目中磁铁电源的精密测量系统就是这种情况,它只是同时进行的多个开发项目中的一个。

ADI公司的科学仪器部门经理Daniel Braunworth表示:“通常,项目研究规模达到高亮度大型强子对撞机项目这样的水平,一般需要项目团队为供应商提供一份给定组件的关键规格参数列表。理论上,最符合技术规格要求的产品应该能在应用中提供最佳性能。但在现实中,精密测量技术专家和研究人员之间的合作往往才是提供更优化的解决方案和更出色的系统性能的关键。通过密切沟通和展开设计权衡讨论,研究人员可以得到更好的结果,获得更多的科学研究发现。”

Image displays the inside of a building where several people are working on CERN's mechanical technologies.

图片由欧洲核子研究委员会提供

更深入地了解需求,能带来更好的结果

Daniel Braunworth表示:“我们根据高亮度大型强子对撞机电源的关键系统要求来选择ADI组件,为欧洲核子研究委员会节省时间和资金,同时提供出色的性能。”长久以来,ADI公司一直致力于开发精密技术,对于欧洲核子研究委员会来说,它是值得信赖的合作伙伴,可提供可靠的精密测量技术。

ADI公司的领域专家根据科学研究人员的需求提供产品。Eric Modica表示:“我们的领域专家与欧洲核子研究委员会的工程师合作,了解他们的电源控制要求。我们的高层次目标是为高亮度大型强子对撞机的磁铁开发一种先进的电源测量系统,让这些磁铁能够在比普通大型强子对撞机更大的粒子加速器内部空间中聚集形成精度更高、更大的磁场。”

因此,ADI公司的测量专家与欧洲核子研究委员会团队合作,开发用于高亮度大型强子对撞机磁铁电源的高精度数字转换器的基准电压,这对于欧洲核子研究委员会非常关键,通过更准确地控制提供给磁铁的电流,有助于确保电源转换器在一年运行过程中失调漂移不超过10 ppm。协作成果:超精确的电源控制使得大型强子对撞机能够在27公里范围内以所需的微米级准确控制粒子束的运动。

“世界领先的测量技术专家和科学研究人员之间的合作是构建能够扩大科学研究范围的系统的关键。”

Daniel Braunworth

科研仪器部门经理 | ADI公司

专家潜心研究带来精密测量优势

为了开发高亮度大型强子对撞机的测量技术,欧洲核子研究委员会开发人员准备了很长时间。测量从模拟领域开始,高性能系统的关键参数包括灵敏度、低噪声、线性度、分辨率和随时间变化的漂移性能。

在寻求科学探索的极限时,对测量技术的要求也会达到极限。要获得超高性能的模拟技术,需要将几十年研究和投资积累的资产、能力和知识产权充分结合运用。

当今领先的模拟解决方案是电子电路技术不断创新的结果。这包括开发特殊的半导体材料和常见的硅,使用专门工艺进行晶圆制造,这些工艺针对超高精度测量应用所需的低噪音、高灵敏度和其他特性进行了优化。

Image displays several people working on precision instruments for CERN's technology.

图片由欧洲核子研究委员会提供

科学进步和精密技术的发展

由加州理工学院(Caltech)和麻省理工学院(MIT)运营的激光干涉引力波天文台(LIGO),是精密模拟技术不断发展的另一例证。在这个天文台中,两个4公里长的真空室测量比原子核宽度小1万倍的运动。这种精密、灵敏的测量技术使LIGO能够深入探索太空,并探测10亿年前发生的黑洞事件。

Graphic illustration of graviational wave signals and high-performance analog data signals gathered from the LIGO facilities.
在LIGO汉福德站点和LIGO利文斯顿站点探测到的黑洞事件的引力波读数。时序检测中出现的分钟偏移是两个接收点之间的距离造成的。时间平移进一步用于确认高性能模拟数据信号的精度。

LIGO提供的关于宇宙本质的见解在人类历史上是前所未有的,但科学项目的本质就在于不断寻求下一个新发现。如果像LIGO这样目标远大的项目想要挖掘出新的见解,就需要测量技术不断提高从嘈杂环境中恢复弱信号的能力,同时增加动态范围。从希望更深入地研究人体奥秘的医疗研究人员,到开发世界下一种神奇材料的纳米科学家,所有科学领域都有着同样的动力:以更高精度探测更多现象。

与过去一样,未来科学研究的前沿发展仍然需要依赖先进的测量技术。如今的先进半导体技术的发展有助于推进这一过程。Eric Modica表示:“ADI公司针对能够更有效地检测最细微信号的技术持续投资,我们的模拟工程师具有世界级专业知识,可以利用这些技术,不断开发新的精密测量电路设计方法,完善产品制造流程,并推动这些技术的交互,为客户提供新的见解。”

解决人类的问题

技术进步不仅造福于欧洲核子研究委员会和LIGO的世界顶尖研究人员,也造福于全人类。世界需要通过科学进步来解决关键问题,例如气候变化和新型感染,并加深我们对人类、地球和宇宙的认知。

Image displays outerspace with stars fields  as well as one large planet and it's moon.