DESY-forskere støtter banebrytende forskning døgnet rundt

Muliggjør viktig og innovativ forskning ved et av Tysklands ledende laboratorier

Hundrevis av forskere ved Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), et av de ledende akseleratorsentrene i Tyskland, er banebrytende når det gjelder ny teknologi og kritiske innovasjoner som hjelper menneskeheten med å besvare presserende spørsmål innen kjemi, fysikk og medisin.

DESY designer, bygger og driver partikkelakseleratorer i samarbeid med forskningsgrupper over hele verden. Partikkelakseleratorer er noen av de viktigste verktøyene i moderne vitenskapelig forskning. Det finnes ulike typer partikkelakseleratorer, men de fleste bruker elektromagnetiske felt til å akselerere ladede partikler til høye hastigheter og kanalisere disse partiklene til en stråle som kan brukes til eksperimenter på en lang rekke vitenskapelige områder. Tidligere prosjekter med DESY-involvering har ført til kartlegging av strukturen til influensaviruset, økt levetid for lyspærefilamenter samt den nylige påvisningen av gammastråleklør som kommer fra en kosmisk gasssky. I tillegg har flere viktige vitenskapelige fremskritt i vår forståelse av de minste kjente enhetene av materie blitt oppnådd med akseleratorer eller detektorer designet og bygget av DESY.

Et av DESYs største og viktigste prosjekter er det europeiske røntgenfri elektronlaser-anlegget, European XFEL. European XFEL er en akselerator som genererer verdens sterkeste og mest lyssterke røntgenstråler. Inne i en 3,4 kilometer lang tunnel som strekker seg fra et DESY-anlegg til et forskningslaboratorium i nabobyen Schenefeld, akselererer et system av magneter og vakuum elektroner nesten til lysets hastighet for å skape intense røntgenlaserblink. Disse blitsene kan skape bilder av atomprosesser som finner sted på en brøkdel av et sekund. De kan vise atomstrukturen til virus, filme kjemiske reaksjoner og vise materialene som utgjør det indre av planeter. Anlegget er relativt nytt, men allerede nå er forskere innen medisin, kjemi, fysikk, materialvitenskap, nanoteknologi, elektrisk energiteknologi og elektronikk i gang med å ta maskinen i bruk.

Med støtte fra den tyske regjeringen og 11 andre europeiske land som er partnere i prosjektet, tok DESY initiativ til design og bygging av European XFEL-akseleratoren, og i dag drives forskningsanlegget av en enhet som finansieres av tolv partnerland. Hver dag roterer grupper av forskere fra hele verden gjennom anlegget på skift og bruker European XFEL-akseleratoren til å utføre forskningen sin. Hver gruppe har begrenset med tid til å utføre eksperimenter, så European XFEL må være i drift nesten 24/7.

Et presisjonsmiljø

Det er en utfordring å holde enhver maskin i drift til enhver tid, men DESYs jobb blir enda vanskeligere på grunn av European XFEL-akseleratorens kompliserte natur. Systemet av datamaskiner og elektronikk som driver akseleratoren, må hele tiden fungere med maksimal effektivitet og presis timing. Tidtakingssystemer er spesielt viktige på grunn av den enorme mengden data som disse maskinene samler inn – tidsstempler ned til brøkdelen av et sekund på hvert datapunkt er avgjørende for å organisere eksperimentresultater.

Mange typer elektroniske komponenter med ulike spesifikasjoner må kommunisere med hverandre i sanntid for å synkronisere kompliserte datasignaler. Akseleratorens deler er følsomme, så temperaturforskjeller mellom ulike komponenter eller forstyrrelser fra stråling kan skape problemer for det finjusterte systemet.

Kabinettene er viktige komponenter i alle akseleratorsystemer, fordi de brukes til å holde kortene som huser viktig elektronikk. Disse kortene ligner på hovedkortene til stasjonære datamaskiner. I tillegg til å huse kortene, opprettholder kabinettene dataforbindelsene mellom hvert kort, og mellom kortene og hele European XFEL-systemet. Et av de viktigste aspektene ved byggingen av European XFEL var å velge en innkapslingsstandard. Standarder for skap er regler som spesifiserer visse felles egenskaper for alle skap som er bygget i henhold til den aktuelle standarden, uavhengig av selskap eller produsent. Dette gjør det enklere for kundene å vite at de kjøper skap som har de nødvendige funksjonene og egenskapene innebygd.

En sømløs løsning

For European XFEL ønsket DESY å bruke en standard de ikke hadde brukt før, kalt microTCA. microTCAs raske og pålitelige dataoverføringsevne, redundans av viktige deler og fjernstyringsmuligheter gjorde at den passet perfekt for European XFEL. Det var også noen ting som manglet: muligheten til å plassere kortene både foran og bak i kabinettet, og noen tids- og synkroniseringsfunksjoner som er avgjørende for driften av presise maskiner som European XFEL. DESY trengte en ny type løsning.

I samarbeid med flere grupper av forskere og ingeniører fra flere internasjonale organisasjoner har DESY og nVent SCHROFFs ingeniørteam utviklet spesifikasjonene for en ny standard: MTCA.4. Den nye standarden har rettet opp manglene ved tidligere microTCA-modeller, samtidig som den har beholdt de egenskapene som gjorde microTCA til et så attraktivt alternativ i utgangspunktet. Med den nye standarden i hånden produserte nVent 250 MTCA.4-kasser (kabinetter) for DESY og European XFEL. Med nVents hjelp ble DESY den første gruppen i verden som implementerte microTCA-standarden i et akseleratorprosjekt.

Konstant ytelse

MTCA.4-kassene maksimerer oppetiden for European XFEL, slik at viktig forskning kan fortsette uten forsinkelser. Mange av de viktigste delene i MTCA.4 er redundante, noe som betyr at hvis en del slutter å fungere, er det allerede installert en kopi av den samme delen i kabinettet som kan ta over. I tillegg har MTCA.4 funksjoner for fjernstyring. Alle funksjoner i MTCA.4 overvåkes fra eksterne datamaskiner, og mange tjenester kan utføres eksternt, noe som gjør det mye enklere for teknikere å utføre service på akseleratoren og oppdatere programvaren uten å forstyrre funksjonaliteten.

MTCA.4-kassene i European XFEL-anlegget er også utstyrt med ekstremt raske datatilkoblinger som gjør det mulig å lese av datapunkter i sanntid, selv om mange av operasjonene i maskinen foregår på mindre enn en milliarddel av et sekund. Dette gir mulighet for presis datafangst ved måling av ekstremt korte reaksjoner i eksperimenter.

I tillegg gir MTCA.4-kassene god skjerming mot magnetfelt og utmerket punktkjøling. Innsiden av akseleratortunnelen er ikke et optimalt miljø for maskiner. Strålen avgir stråling og varme som kan skade skjøre datamaskinkomponenter. Dette gjør nVent SCHROFF-skapene enda viktigere.

Utfordringer og muligheter

European XFEL er en komplisert maskin, og det var en komplisert prosess å designe og bygge den. Å definere en ny innkapslingsstandard og implementere den i European XFEL var et prosjekt som tok mange år, men resultatet er en akselerator som fungerer med full styrke.

"Det komplekse prosjektet bød på en rekke utfordringer, men takket være et godt samarbeid mellom nVent og DESY har alt gått knirkefritt", sier Ralf Waldt, feltingeniøren fra nVent som samarbeidet med DESY om prosjektet.

I prosjekter som European XFEL er det vanlig med forsinkelser i byggingen – noen ganger i årevis – og problemer med synkronisering når maskinen kommer i drift. Dette har imidlertid vært en vellykket satsing fra første dag.

"European XFEL var helt avhengig av MTCA.4 fra begynnelsen av», sier Kay Rehlich, ingeniør ved DESY. "Siden den var i gang helt fra begynnelsen, er det ingen som kan tro hvor raskt den gikk og hvor smidig den fungerte."

nVent-teamet er alltid klare til å gi DESY støtte hvis det skulle oppstå behov for det, slik at akseleratoren kan holdes i gang til enhver tid.

"Det vi har fått fra nVent fungerer rett og slett", sier Rehlich. "Jeg kan ikke huske at en eneste kasse har sviktet i anlegget."

nVent SCHROFF-løsningene i European XFEL har vært pålitelige siden starten av prosjektet. De har holdt stand under konstant bruk, og gir den dataoverføringshastigheten og påliteligheten som denne kraftige frielektronlaseren krever. "Siden den var i gang helt fra begynnelsen, er det ingen som kan tro hvor raskt den gikk og hvor smidig den fungerte."