DESY-wetenschappers ondersteunen baanbrekend onderzoek 24 uur per dag

Belangrijk en innovatief onderzoek mogelijk maken in een van de vooraanstaande laboratoria van Duitsland

Honderden wetenschappers van Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), een van de grootste versnellerscentra in Duitsland, doen baanbrekend werk met nieuwe technologieën en zorgen voor essentiële innovaties die de mensheid helpen bij het beantwoorden van dringende vragen over chemie, natuurkunde en geneeskunde.

DESY ontwerpt, bouwt en bedient deeltjesversnellers in samenwerking met onderzoeksgroepen over de hele wereld. Deeltjesversnellers vallen onder de belangrijkste hulpmiddelen in modern wetenschappelijk onderzoek. Hoewel er verschillende soorten deeltjesversnellers zijn, maken de meeste gebruik van elektromagnetische velden om geladen deeltjes te versnellen tot hoge snelheden en deze deeltjes in een bundel te leiden die kan worden gebruikt voor experimenten in een breed scala aan wetenschappelijke gebieden. Eerdere projecten waarbij DESY betrokken was, hebben geleid tot diverse resultaten, zoals het in kaart brengen van het influenzavirus, het verlengen van de levensduur van gloeilampdraden en de ontdekking van gammastraling afkomstig van een kosmische gaswolk. Daarnaast zijn er diverse belangrijke wetenschappelijke vooruitgangen geboekt in ons begrip van de kleinste bekende eenheden van materie met versnellers of detectoren die zijn ontworpen en gebouwd door DESY.

Een van de grootste en belangrijkste projecten van DESY is de Europese X-Ray Free-Electron Laser Facility, de Europese XFEL. De Europese XFEL is een versneller die 's werelds sterkste en helderste röntgenstraling genereert. Binnen een tunnel van 3,4 kilometer die zich uitstrekt van een DESY-faciliteit in Hamburg tot een onderzoekslaboratorium in de naburige stad Schenefeld, versnelt een systeem van magneten en vacuüm elektronen tot bijna de snelheid van het licht om intense laserflitsen van röntgenstralen te produceren. Met deze flitsen kunnen beelden worden gemaakt van atoomprocessen die in een fractie van een seconde plaatsvinden. Ze kunnen de atoomstructuur van virussen weergeven, chemische reacties filmen en de materialen tonen die de binnenkant van planeten vormen. De faciliteit is relatief nieuw, maar wetenschappers op het gebied van geneeskunde, chemie, natuurkunde, materiaalwetenschap, nanotechnologie, elektrische energietechnologie en elektronica gebruiken de machine al.

Met steun van de Duitse overheid en 11 andere Europese landen die samenwerken aan het project, heeft DESY het ontwerp en de bouw van de Europese XFEL-versneller gestart. Nu wordt de onderzoeksfaciliteit gerund door een entiteit die wordt gefinancierd door twaalf partnerlanden. Elke dag wisselen groepen wetenschappers van over de hele wereld in groepen elkaar af in de faciliteit om de Europese XFEL-versneller te gebruiken voor hun onderzoek. Elke groep heeft beperkte tijd om experimenten uit te voeren, dus de Europese XFEL moet bijna 24/7 draaien.

Uiterste precisie

Het is bij elke machine een uitdaging deze continu operationeel te houden, maar de taak van DESY wordt nog moeilijker gemaakt door de gecompliceerde aard van de Europese XFEL-versneller. Het systeem van computers en elektronica die de versneller laten draaien, moet constant op maximale efficiëntie en met een nauwkeurige timing werken. Tijdsystemen zijn vooral belangrijk vanwege de enorme hoeveelheid data die deze machines verzamelen. Tijdstempels tot een fractie van een seconde op elk datapunt zijn essentieel voor het organiseren van experimentresultaten.

Veel soorten elektronische componenten met verschillende specificaties moeten in real time met elkaar communiceren om gecompliceerde datasignalen te synchroniseren. Versnelleronderdelen zijn gevoelig, dus verschillen in temperatuur tussen ongelijksoortige componenten of interferentie door straling kunnen het nauwkeurig afgestelde systeem ontregelen.

Behuizingen zijn belangrijke componenten van elk versnellersysteem, omdat ze worden gebruikt voor printplaten met essentiële elektronica. Deze platen zijn vergelijkbaar met moederborden voor desktopcomputers. Naast de printplaten bieden de behuizingen ook plaats voor dataverbindingen tussen elk bord en tussen de borden en het gehele Europese XFEL-systeem. Een van de essentiële aspecten van het bouwen van de Europese XFEL was het kiezen van een behuizingsstandaard. Behuizingsstandaarden zijn regels die bepaalde gedeelde kenmerken specificeren voor alle behuizingen die volgens die standaard zijn gebouwd, ongeacht het bedrijf of de fabrikant. Dit maakt het voor klanten gemakkelijker om te weten dat ze behuizingen kopen waarin benodigde functies en eigenschappen zijn ingebouwd.

Een naadloze oplossing

Voor de Europese XFEL wilde DESY een standaard gebruiken die ze nog niet eerder hadden gebruikt, microTCA. Dankzij de mogelijkheden voor snelle en betrouwbare dataoverdracht, de redundantie van essentiële onderdelen en de mogelijkheden voor extern beheer is deze technologie uitstekend geschikt voor de Europese XFEL. Er ontbraken ook een aantal zaken: de mogelijkheid om borden in zowel de voor- als de achterkant van de behuizing te plaatsen en enkele timing- en synchronisatiefuncties die essentieel zijn voor de werking van nauwkeurige machines zoals de Europese XFEL. DESY had een nieuw soort oplossing nodig.

In samenwerking met verschillende groepen onderzoekers en technici van meerdere internationale organisaties ontwikkelden DESY en het technische team van nVent SCHROFF de specificaties voor een nieuwe standaard: MTCA.4. De nieuwe standaard heeft de tekortkomingen van eerdere microTCA-modellen aangepakt, terwijl de kenmerken die de microTCA aanvankelijk zo aantrekkelijk maakten, behouden blijven. Met de nieuwe standaard produceerde nVent 250 MTCA.4-kratten (behuizingen) voor DESY en de Europese XFEL. Met de hulp van nVent werd DESY de eerste groep ter wereld die de microTCA-standaard in een versnellerproject implementeerde.

Constante prestaties

De MTCA.4-kratten maximaliseren de uptime voor de Europese XFEL, waardoor belangrijk onderzoek zonder vertraging kan worden uitgevoerd. Veel van de essentiële onderdelen van de MTCA.4 zijn redundant, wat betekent dat als een onderdeel niet meer werkt, er al een kopie van hetzelfde onderdeel in de behuizing is geïnstalleerd om het over te nemen. Bovendien beschikt de MTCA.4 over mogelijkheden voor extern beheer. Alle functies binnen de MTCA.4 worden bewaakt vanaf externe computers en veel services kunnen op afstand worden uitgevoerd, waardoor het voor technici veel eenvoudiger wordt om de versneller te onderhouden en software bij te werken zonder de functionaliteit te verstoren.

De MTCA.4-kratten in de Europese XFEL-faciliteit zijn ook uitgerust met extreem snelle dataverbindingen waarmee datapunten in real time kunnen worden gelezen, ook al vinden veel bewerkingen binnen de machine plaats in minder dan een miljardste van een seconde. Hierdoor kunnen data nauwkeurig worden vastgelegd bij het meten van extreem korte reacties in experimenten.

Bovendien bieden de MTCA.4-kratten een goede bescherming tegen magnetische velden en uitstekende spotkoelingsprestaties. De binnenkant van de versnellertunnel is geen optimale omgeving voor machines. De straal geeft straling en warmte af die kwetsbare computeronderdelen kunnen beschadigen. Dit maakt de nVent SCHROFF-behuizingen nog belangrijker.

Uitdaging en kans

De Europese XFEL is een complexe machine en het ontwerpen en bouwen ervan was een ingewikkeld proces. Het definiëren van een nieuwe behuizingsstandaard en het implementeren ervan in de Europese XFEL was een project dat jaren in beslag nam, maar het resultaat is een versneller die op volle sterkte presteert.

"Tijdens het complexe project moesten diverse problemen worden opgelost, maar door een grote gezamenlijke inspanning tussen nVent en DESY is alles soepel verlopen", aldus Ralf Waldt, de field application engineer van nVent die met DESY aan het project heeft samengewerkt.

In projecten zoals de Europese XFEL zijn vertragingen in de bouw (soms jaren) gebruikelijk, evenals problemen met synchronisatie zodra de machine online komt. Dit was echter sinds dag één van het project een succesvolle onderneming.

"De Europese XFEL vertrouwde vanaf het begin volledig op MTCA.4", aldus Kay Rehlich, engineer bij DESY. "Het liep goed vanaf het begin, en niemand kon geloven hoe snel en soepel alles werkte."

Het nVent-team staat altijd klaar om DESY te ondersteunen als dat nodig is, zodat de versneller te allen tijde online kan blijven.

"De dingen die we van nVent hebben gekregen, werken gewoon", zegt Rehlich. "Ik kan me niet herinneren dat er ook maar één krat op de locatie defect is geraakt."

Vanaf het begin van het project zijn de nVent SCHROFF-oplossingen in de Europese XFEL betrouwbaar gebleken. Ze zijn constant in gebruik en bieden de snelheid en betrouwbaarheid van dataoverdracht die deze krachtige vrije-elektronenlaser nodig heeft. Nu de Europese XFEL soepel en betrouwbaar loopt, kunnen wetenschappers hun tijd op de locatie optimaal benutten en hun aandacht volledig richten op hun belangrijkste werk: het vinden van remedies voor ziekten, het uitvinden van nieuwe technologieën en het vergroten van het menselijke begrip van ons universum.