はじめに：
Spectrum Instrumentation製の140枚を超えるデジタイザカード (A/Dボード) が、CERNの大型ハドロンコライダー（LHC）の機械保護システムで使用されています。カードは、粒子線が正確に偏向されていることを確認するために使用されます。27kmのLHC加速器リングでは、2つの高エネルギー粒子ビームが反対方向に光速に近い速度で進むため、これには非常に高い精度が要求されます。それらはそれから数時間かけてリングを回り4つの地点で衝突します。粒子は非常に小さいので、それらを衝突させるタスクは、10キロメートル離れた2本の針を発射し衝突させるような精度です。
LHCビームダンプシステム（LBDS）：
２つのビームに蓄積されたエネルギーは非常に高いので、ビームの制御が失われた場合には、LHC装置は重大な損傷を受ける可能性があります。緊急の場合や衝突実験の最後に安全にビームを処分するために、LHCビームダンプシステム（LBDS）は1回転でLHCからフルビームを取り出し、LHCリングから約700m離れた吸収ブロックに転送する必要があります。すべてのビームダンプの後、ポストオペレーションチェックシステムはLBDS内のすべての素子が正しく機能し、ビームがきれいに抽出されたことを確認します。
ここで重要な点は、キッカー磁石と呼ばれる高速パルス磁石がLHCリングから抽出ラインに粒子ビームを正確に偏向させたことを確認することです。デジタイザカード (A/Dボード) を使用して現在のパルス波形をキャプチャし、正しい波形でビームと正確に同期していることを確認します。一見すると、LBDS抽出磁石電流パルス自体は3μs未満の立ち上がり時間および20ns未満の同期誤差で約20kAです。LBDS単独では、ビームダンプイベントごとに、デジタイザカード (A/Dボード) を使用して約500chのアナログ信号が取得され、デジタルI/Oカードを使用して150chを超える同期信号がキャプチャされます。
内部ポストオペレーションチェック（IPOC）：
CERNのAccelerator Beam TransferグループのソフトウェアチームリーダーであるNicolas Magnin氏は、次のように説明しています。「私達は、IPOC（Internal Post Operation Check）と呼ばれる独自の波形取得および解析フレームワークを開発しました。これは、Linux上でC ++を使用してプログラムされており、さまざまな種類のデジタイザカード (A/Dボード) とのインタフェースを可能にするハードウェア抽象化レイヤが含まれています。帯域幅とダイナミクスに関して異なる要件を持つすべてのCERNアクセラレータに使用されるさまざまなキッカー磁石をカバーするために、Spectrum製のさまざまなデジタイザカード (A/Dボード) を使用しています。この多様なカードによって、10 MS/s～500 MS/sの帯域幅と、アプリケーションに応じて8bit～16bitの分解能を
カバーすることができます。」
これらのキッカーパルス事象の測定には、非常に高いレベルの精度が必要とされます。たとえば、最も要求の厳しいシステムでは、パルス再現性エラーに対して10 ns未満の遅延、および16bitのダイナミックレンジ内で0.5％未満の振幅が必要です。これを実現するには、集録の精度をさらに一桁高くする必要があり、この要件の場合は、たとえば2nsの時間分解能とENOBが10bit以上の有効ビット数を備えたSpectrum製 M4i.4451-x8デジタイザ (A/Dボード) を選択する必要があります。 キッカー電流信号の信号ダイナミックスは固定ではないので、デジタイザ (A/Dボード) のさまざまな入力範囲を使用して、取得した波形のS/N比を最適化します。ほとんどすべての波形は、後でオフライン解析するためにロギングデータベースに保存されます。また、すべての波形解析結果（たとえば、遅延、長さ、立ち上がり時間、立ち下がり時間、フラットトップ振幅など）はロギングデータベースに保存され、システムの安定性、温度依存性などをチェックするために時間経過の傾向が抽出されます。
製品の統合：
Nicolas Magnin氏は、次のように述べています。
「非常に競争力のあるコストと優れた品質を提供するため、Spectrum製品を選びました。また、ユーザーフレンドリーなソフトウェアツールを使用してセットアップするのは非常に簡単で、ドライバソースは当社のLinux運用環境上でコンパイルおよび開発するのが簡単でした。私は特に提供されているドキュメンテーションとコーディング例を高く評価します。私達は過去8年間で多数のSpectrum製デジタイザカード (A/Dボード) を購入しましたが、保証外のカードにいくつかの問題があっただけで、Spectrum社は非常に迅速にそれを修復してくれました。同様に、開発段階の私達の質問への回答も非常に迅速でした。」
「また、キック電流波形をシミュレートするためのSpectrum製AWG（Arbitrary Waveform Generator）カード (D/Aボード)と、テストベンチの監視および保護システムの開発と検証に役立つタイミングおよび制御信号を送信するためのSpectrum製 デジタルパターンジェネレータカードを使用しています。Spectrum製ハードウェアはこの環境と互換性があるため、テストベンチにWindows上のLabVIEWを使用することもあります。」
まとめ：
現在、PCI/PCIe、さらに最近ではPXIeプラットフォーム上のすべてのCERNアクセラレータで、キッカーシステム用に140台を超えるSpectrum 製カードが使用されています。Spectrum社のCEOであるGisela Hasslerは次のように述べています。
「CERNによるデジタイザカード (A/Dボード) の使用は、お客様の典型的な例です。主要な研究機関、大学、そして多国籍の研究開発部門が品質の面で当社の製品を選択しています。彼らのプロジェクトは何年にもわたって実行されることが多いため、彼らは長期間にわたって信頼できる機器を求めています。10年以上前の製品が未だに使用されており、正常稼働しています。これが、何年にもわたって実験・運用している人々に安心を提供するために5年間の保証を導入した理由でもあります。」
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原文ドキュメント：Spectrum Instrumentation社
cs_digitizer_at_cern_for_lbds.pdf
Over 140 Spectrum Instrumentation Digitizers at CERN
関連製品
M4x.4451-x4：500MHz 高速A/D ボード (PXIe)
M4i.2223-x8：2.5GHz/1.25GHz 高速A/D ボード (PCIe)
Spectrum Instrumentation社について
Spectrum社は、Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbHとして1989年に設立され、2017年にSpectrum Instrumentation GmbHに改名されました。同社は最も一般的な業界標準（PCIe、LXI、PXIe）で500を超えるデジタイザおよびジェネレータ製品を作成するモジュール設計のパイオニアです。これら高性能のPCベースのテスト&メジャーメントデザインは、電子信号の取得・生成および解析に使用されます。同社はドイツのGrosshansdorfに本社を置き、幅広い販売ネットワークを通じて世界中に製品を販売し、設計エンジニアによる優れたサポートを提供しています。 Spectrum社の詳細については、www.spectrum-instrumentation.comを参照してください。