标签: 高能物理

一、背景     大型强子对撞机（LHC）在欧洲核子研究组织，被称为欧洲核子研究中心，最近因为Higgs玻色子–所谓上帝粒子的发现而吸引大众的眼球。欧洲核子研究中心在瑞士和法国边境附近的日内瓦的地底下100米深的地方，设有一个高能量的对撞机，用于探索高能物理。这是一个巨大的高能物理设施，在世界上没有其他的设施配套可以与之相比。      对撞机操作一对反向旋转的粒子环四实验，颗粒从相反的方向彼此碰撞，彼此有交叉，说明短暂存过，最近也发现Higgs波色子 。      大部分的注意力都被集中于捕获所有可用的数据以确定新粒子的实验上，然而监测环本身也是一个重大的关键点，这个是需要通过打开模拟信号信息系统来实现，该系统称为OASIS。从对撞机监控传来的信号可以敲打很多地方，所以要确保系统中的每个点都是可用的。      一个像CERN这样的拥有大量预算资金的组织，虽然已确保其预算与政府财政支持赞助，该系统也是具有成本效益的。OASIS系统利用一套数字化仪获得信号，信号是通过以太网系统转送到使用者那里的，但设备非常昂贵，不可能每个监控信号都用一种数字化仪。pickering的开关系统是用来让OASIS系统从各种可用的信号中选择需要显示的信号，开关系统是基于VXI和最近的cPCI的解决方案的，这是其中的改进的地方。 二、升级CERN系统      欧洲核子研究中心每两年都会升级其系统，对撞机的能量可以提高很多（几乎翻了一番），升级之后可以进行更多的新物理探讨。对撞机进行（二月2013）这个升级的计划，未来将有更多的需求的。升级过程是少不了OASISI系统的升级的。      显示器信号给开关系统提出了不少的难题。欧洲核子研究中心希望在每个位置能选择16个最多104个信号进行数字化。模拟信号的频率内容很多很多MHz，有从不同的显示器上得来的相近的潜在差异。这主要是通道以及带宽之间的串扰上的困扰。如果一个高层次的源信号被选择，同时从一个较低的水平上不同的通道的信号也被选择，然后大信号会分为小信号，这样会混淆控制器的。      CERN面临的另一个重要问题是对撞机的规模太大，你不能从这个位置很快就去到另一个位置，就算隧道里已经装备了自行车，也是很困难的。远距离的操作是任何一个解决方案都得具备的基本要求。 三、设计新的OASIS开关系统      CERN找到了pickering以寻找建立一个新的开关系统的建议，他们的目的是想在计划中的升级过程中进行开关系统的升级。基础的要求是用一个拥有10MHz的带宽和一个最大可达104x16的矩阵。经过谈论之后，我们发现，通道之间的串扰是一个最值得考虑的部分，还有就是系统本身的尺寸的要求让利用传统的产品来解决这个问题是不可能的，还有无法达到目标和远超出了预算的要求。      明显的是矩阵不得不比在每一个模拟信号中放置一个数字化仪更加优惠。这个优越的平台是在工业计算机中的PCI，但是它明显是在加载了PCI的模块之后无法将它添加到开关系统中，在cPCI和PXI中也存在着同样的问题。 图1  CERN的要求（在高达16个数字化仪上连接高达104个模拟数据源）        为了得到一个高性能的矩阵模块，这就要求开关系统来决定最后的方案中的产品类型--这就排除了在方案中使用任何固定模块化的平台的可能。一个模块需要的是使得矩阵系统的大小在不同的位置中是可以升级的，这就要求矩阵式有不能的规格的，可能在一个位置要求的是一个64x16的矩阵，在另一个位置要求的是一个106x16的矩阵。系统也可以跟随着传感器的数目的变化和通道数目的变化来改变他们的要求。这就表明了一个可以升级的模块是必须要的，而且模块的大小是需要适合矩阵的设计的要求的。这就激励着Pickering Interfaces考虑使用一个大小很灵活可以改变的的LXI路由器。 四、LXI 路由器      LXI拥有对于CERN很有用的特点，因为他们中的大部分已经用到了以太网数据，所以说将LXI矩阵连接到它之上是没有多大的问题的。LXI控制也意味着他们可以在没有添加内部控制器的情况下管理它们的网络，这是LXI的产品网络服务中心带来的好处。      在讨论另一个问题的过程之中，碰撞机上进行得的实验是非常多的，并且昂贵的管理费用，CERN想要的是找出了在矩阵中的开关有一个大的错误并且有预防监控的操作。在得知Pickering Interfaces已经在LXI和PXI（叫做BIRST）进行了自行的测试，CERN要求在开关系统中进行一系列自行的测试，还有就是在理想的状态下，开关是需要同轴的连接器，测试也必须是可以在连接到一个没有供电电源或者是负载的输入和输出中是可用的。可以添加和运行设备将是一个OASIS的一个有力的工具。   图2  65-110矩阵模块        最后被CERN采纳的是65-110 带宽模块化LXI矩阵。这个开关矩阵式基于一个拥有专用的模拟总线系统的机箱。在机箱里面有一套可以用来安装的插件，在左手边的部分提供了一个可以用在数字化仪的16Y的连接器。一套X插件也提供了一个模拟信号输入，在模块插件上增加8个信号。X插件的数目可以从一个（8off X连接器）到多大13个（104off X连接器）进行扫描，允许用户在机箱的限制范围内创建任何尺寸的矩阵。不用安装第二个Y插件就可以允许创建一个Y=8的系统--虽然CERN没有要求这个设置，但是其他的用户可能会在他们要求拥有一个小的系统的时候会觉得这个是一个优点。这个设计是用户完全可以进行设置的，插件模块可以进行物理安装或者是不安装，并且在LXI控制器中的固件将会识别和设置，然后可以根据已经安装的插件模块的大小来改装矩阵的大小。这个基于网络的软件面板，是一个在LXI标准上建立的，它允许矩阵不用安装驱动。   图3  65-110软件控制界面        这个矩阵式一个超前的方案，但是这个模块的大小是鳞状的，是为了装在应用中，而不是根据特别的标准来安装的。65-110的插件和模拟总线系统是必须要很仔细地为了RF功能来进行设计，特别是串扰，这个可以确保它是可以在系统应用中使用的。RF （射频信号）的带宽是高于300MHz的，并且可以在低串扰的情况下驱动，还有优秀的电压驻波比。      跟许多流行的设备一样，模块的通讯是通过一个PCIe接口和一个LXI控制器来实现的，这个是一个简单的矩阵，所以，LXI控制器让用户很容易就可以对矩阵进行编程。LXI控制器隐藏了开关系统的复杂性，矩阵在用户面前显示的只是一个实体，而不是一个单独的子组件。它表现更像一个可用的设备，而不是一个模块设备。      这个设计用了一个在插件模块底层的模拟总线，并不是用了一个在模块系统中的插件的背面--是在一个矩阵内的，它让X和Y轴的信号线在正确的角度里拥有更多的意义，这个是为了提高串扰和隔离的能力。LXI的这个特点不是限制在模块的固定的大小内的，或者是放置一个模拟总线的，这样Pickering Interfaces就有能力根据开关的要求去设计一个更加超前的设备。   图4  65-110允许通过设置页便捷地添加自行测试通道        65-110 LXI矩阵包括了一个自行测试的设备，可以检测错误的继电器的所有的信号路径（关闭，打开和高阻抗）。这个设计用了一个低水平的信号，所以用户的连接器不需要在测试的时候断开（同时可以测试100个同轴的连接器），并且，自主测试可以在LXI的网络接口中开始，也不用在用户距离矩阵很远的地方的情况下，添加额外的用户控制器。      显示器也包括在Pickering Interfaces的LXI产品中，这就允许用户在没有任何矩阵的编程通道的情况下显示矩阵的设置，LXI系统允许在拥有多个控制器的情况下，非常容易创建系统。一个控制器可以设置开关，另一个不同的控制器可以用来在没有扰乱编程的情况下监视设置的过程。 五、总结      CERN的要求表明了LXI为其提供的优秀的平台，这个平台用来创建不同的拥有高性能的开关系统，这个开关是复杂的，也是带有远程控制功能的。CERN将要利用LXI的65-110开关矩阵作为OASIS系统的一部分，用于进行下一次更高性能的碰撞机试验中。 六、参考      可以登陆虹科电子的网站以及发邮件到support@hkaco.com了解关于LXI开关模块的更多信息。       如果你想要看一下CERN是怎么样进行它的实验的，可以在他们的网站上看到详细的消息。以下的链接提供了可以参考的资料： http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/04/animation-shows-lhc-data-processing  http://home.web.cern.ch/about/engineering  http://home.web.cern.ch/about/accelerators  https://project-oasis.web.cern.ch/project-oasis/  

5月16日，周六，通过科学技术协会的后门关系，有机会弄到中国科学院高能物理所正负电子对撞机的参观邀请函，于是，带着崇敬和瞻仰的心情，我和女儿一同踏上了科技朝圣之旅。过程的细节不一一赘述，那纯粹是故事和流水帐，没有实质的意义，只是将过程几个总结体会写出来，让我们一同探讨思考。 接待我们的是一位50来岁的刘老师，估计应该是位研究员级别的科学家，看大家对她很恭敬，人很平和而谦逊，问我是什么单位的，我说是航天二院的，他们好像挺了解，聊了我们二院的很多事情，并由此生出了很多的热情和好感，也给了我们很多优待，于是第一个体会，人际交往上，“像我”定律绝对有用，就是找到双方的相似点，然后让对方知道我们有某种相似度，就容易拉近距离，并产生好感，生意容易成交，矛盾容易化解，生疏容易熟络。 在刘老师带我们去对撞机直线加速器机房的路上，她说现在带孩子来科普早了点，既没兴趣也不懂，谈到了她从小如何用理工科方式教育儿子，虽然小伙子已经进入了清华大学精密仪器系就读，但刘老师仍然主张多教育孩子的形象思维和想象力，觉得理工背景的父母会无意的扼杀孩子的想象力，虽然在逻辑分析推理、数学思维方面会对孩子有点好的影响，但“如果没有联想，世界会变得怎样？”想象力和艺术思维的培养会让孩子有大的成就，那可以把科学变成美学。我由此开始反思对孩子的理工教育思维方式如何改善，包括写作文的方法。 电子对撞机造型如一个羽毛球拍，杆部分是直线加速部分，加速到杆和拍的接头处的时候，正负电子会分开，正负电子分别左旋和右旋绕拍子边缘旋转，在杆和拍接头处及与该位置180度的拍顶处会发生碰撞，碰撞出新的粒子，新的粒子用质谱仪等一系列眼花缭乱的仪器和方法来进行分析，得出其质量、速度、极性等特性参数。这是对撞机的基本工作原理。 环形部分示意图（两个白圈是碰撞点） 第四个体会是来自于高中同学T的一个问题，科技不提升生产力是没有价值的，补充解释下，基础研究虽然有时并不直接作用于生产力，但它的作用仍然是很巨大的。有时是作用了但我们没感觉到，有时候是没作用但其研究的过程带动了相关产业，有的当时没作用但具有无尽的未来价值。下面罗列几个与对撞机相关的作用于生产力的例子。 1、对撞机开发过程而带动的技术生产力的例子 对撞机许多关键部件采取了世界上独一无二的方法进行研制生产，使国内相关企业在相关技术领域有了较大提高和突破，带动了我国机械、电子工业技术的发展。 对撞机里面有个大型磁铁，这个磁铁外表无奇，但它是超强磁场的，对此应用领域的技术提升具有直接的效果； 在微机械技术方面，制成了直径仅4毫米超微电机，这种电机将能在医疗、生物和科研等方面有独特的用途。 在磁铁和微波部件方面，其设计和研发水平已达到国际水平，先后向美国、日本、意大利、韩国出口加速管、能量倍增器、微波系统波导元件等高科技产品； 微波和高频技术的突破为我国电视和广播事业的发展发挥了积极作用，多项技术用于彩色电视发射机速调管的批量生产； 对撞机相关的超高真空技术研究，使我国高技术发展所需的超高真空基础技术有了较大突破，上海真空泵厂、沈阳科学仪器研制中心等一批企业，由此具有了生产超高真空系统的能力，向科研单位、航天工业、电子工业等部门提供了优质产品，并有多项产品出口。 大型科学装置往往需要用大量的先进技术，它可以带来大量的高技术，如超导、精密机械、自动控制、计算机等的快速发展。“这些技术往往会在较短时间内就对整个社会的高技术发展起到很大的推动作用。” 2、对撞机本身用于科研创造生产力的例子 近年来，依托对撞机，许多研究所、大学、开放实验室及国家重点实验室已在微电子光刻工艺技术、材料科学、生物学、医学、化学、化工、地质矿产和能源等研究领域取得了一批具有国际先进水平的研究成果。 材料科学是同步辐射的重要应用领域, 大量用户在BSRF利用同步辐射技术进行了许多常规手段无法进行的研究工作。南京大学的“新型人工晶体畴结构与相变的同步辐射研究”、 复旦大学的“Sb原子和Er原子在分子束外延过程中的偏析行为及热稳定性研究”，浙江大学的“C60单晶能带色散的研究”，都获得了一系列重要的研究成果。在BSRF用光电子能谱, X射线吸收精细结构谱和X射线小角散射等实验方法对纳米材料进行了深入的研究,取得了大量新的结果。利用金刚石对顶砧高压技术和同步辐射能量色散X射线衍射方法，对一些材料进行了极高压力条件下(最高压力超过100万大气压)原位测试。 化学所化学热力学组用小角X射线散射（SAXS）研究超临界流体抗溶剂过程中高分子链尺寸和构象变化，具有重要的理论和实际意义。 催化剂在工业上有着十分重要的应用。催化剂的结构研究由于实验上的困难, 一直是催化研究中的难点, 同步辐射的应用为催化剂结构研究提供了全新的手段. 北京大学多年来在BSRF研究以Al2O3分子筛为载体的有机催化剂的结构，得出了多相催化剂的活性成份具有在载体表面自发分散的倾向，此外他们还开展了表面单层分散方面的研究, 为阐述催化剂的作用机理、筛选新的催化剂提供理论指导。山西煤炭化学所开展了一系列金属与含炭物质相互作用的研究，为煤焦燃烧和气化的催化机理提供重要信息，在此基础上研制的催化剂已在工业上得到了应用。中国科技大学对多种应用于环境保护的催化剂进行了结构研究, 取得了许多重要的结果。 微区荧光分析的实验新技术和方法,用此方法成功分析了单个地质流体包裹体和单个细胞内的痕量元素含量。对于单个地质流体包裹体这种厚样，痕量元素的 检测限可以达到ppm量级，对于单个细胞这种薄样，最小检测限达到0.01pg,目前已有大量地矿、生物医学和环境科学方面的课题利用此条件开展工作,取 得了许多新的研究成果。 BSRF在开展基础研究和应用研究的同时,也为国防建设和国家重大项目提供强有力的技术支持。南京紫金山天文台与BSRF合作，对用于空间探测的正比计数管的性能进行了全面的标定; 作为实验技术方面的一个最新的重要进展，BSRF利用空间相干长度为几微米的单色同步辐射光在类同轴全息相位衬度成像的研究中成功获得了清晰度和分辨率明显高于传统吸收像的硬X射线相位衬度图像。 2004年我国科学家关于菠菜光合作用机理研究获得的重要成果，也是通过同步辐射装置的实验站取得的。 3、未来对撞机可能起作用的领域 卫星通讯直接用于我们的生活，如卫视节目、海事卫星电话（远洋船载电话）、GPS等，在发生日凌的时候，就是太阳发生爆炸产生许多粒子，在大气中会直接影响电磁波的传递，导致卫星通信中断，这个粒子和粒子的碰撞作用就是对撞机研究的课题之一。 碰撞耶克能发现希格斯玻色子，但谁也不知道它的发现能有何用途，就像当年核聚变核裂变的机理被发现时，科学家也不知道它将如何作用于我们的生活一样。 其他可预见的作用领域还包括电信、医疗、能源、军事。 实验带来了数据处理的挑战，导致欧洲核子物理研究组织于1990创造出了万维网。大型撞机也将引领我们进入一个全球分布式计算和大量数据更有效贮存的时代，更好地了解亚原子世界将导致量子计算和超安全通信方面取得突破。 粒子加速器目前在癌症治疗和医学成像方面的作用在快速加大。许多医院利用质子、碳离子甚至是反物质等带电粒子来治疗癌症。 能源如可控熔合核电站，这些微型黑洞甚至可能在长期的能源需求中扮演一个长期角色。 在自然界中，任何一种“次原子粒子”(比原子还小的粒子)都有一种与之对应的反物质，如果这两种物质发生猛烈撞击，那么它们都将消失，并释放出巨大的能量。与核dan不同，反物质**爆炸时并不会产生核辐射，是一种“干净的氢dan”。它拥有氢dan爆炸的威力，却不会造成核辐射污染。 它是一种超清洁的巨能能源，同时也是最有可能被用于战争的武器。它和核武器不同，核武器的应用往往是两败俱伤的结果，核辐射的后遗症让地球村里的人都难以幸免，而反物质**则不同，它只作用于当时当地，过后将恢复原状，可以更有效的杀伤敌人保存自己。 以上是我和女儿参观北京正负电子对撞机前后通过查阅资料、实地参观学习、总结出来的心得体会。这次参观让我再一次近距离的感受中国建国后的又一重大科技成果，感受科学的无穷魅力，感慨祖国经济的发展、科技的进步、国力的强大，虽然很多我还没弄懂，但科学未知的奥秘机理就像那袅婷婀娜的美女，就在前方不远的林荫处，等待着科技工作者的到来。