28、大型强子对撞机束流损失监测系统实时数据处理的形式化验证

大型强子对撞机束流损失监测系统实时数据处理的形式化验证

1. 引言

大型强子对撞机（LHC）是欧洲核子研究组织（CERN）的高能粒子加速器，旨在为高能粒子物理研究提供质子对撞。由于循环束流能量极高（700 MJ），束流粒子能量沉积可能导致超导磁体失超，造成停机或设备损坏。为保护 LHC，束流损失监测系统（BLMS）至关重要，它能在粒子损失超过阈值时触发束流安全提取。

BLMS 需要快速响应危险损失，同时处理长时间的损失数据，并实时记录大量数据。为实现这些目标，BLMS 维护不同大小移动窗口的粒子损失近似累积和，这一功能由连续运行求和（SRS）组件完成。SRS 组件采用硬件实现，特别是现场可编程门阵列（FPGA），以便快速实时工作并易于升级。

SRS 结构复杂，其行为正确性对 LHC 的安全和有效运行至关重要。当前对 SRS 实现的分析方法主要是模拟不同损失场景下的行为。本文将介绍一种基于 HOL4 定理证明器的形式化验证方法。

2. BLMS 概述

BLMS 的主要目的是测量粒子损失，并在损失水平可能导致失超时请求束流提取。粒子损失测量基于电离室检测二次簇射粒子沉积的能量。LHC 隧道周围约有 4000 个电离室，它们产生的电信号由采集卡读取、数字化，并通过光纤链路传输到地面。地面上的数据处理卡 BLETC 接收数据，决定束流是否允许注入或继续循环。

BLETC 卡有四个主要处理模块：
- 接收、检查和比较（RCC） ：直接从采集卡接收数据，使用循环冗余校验和 8B/10B 算法检测传输错误。
- 数据处理 ：粒子损失是否