Naukowcy DESY wspierający najnowocześniejsze badania przez całą dobę

Umożliwienie prowadzenia ważnych i innowacyjnych badań w jednym z czołowych laboratoriów w Niemczech 

Setki naukowców w Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), jednym z czołowych ośrodków akceleratorowych w Niemczech, są pionierami nowych technologii i wprowadzają krytyczne innowacje, które pomagają ludzkości odpowiedzieć na pilne pytania z dziedziny chemii, fizyki i medycyny. 

DESY projektuje, buduje i obsługuje akceleratory cząstek we współpracy z grupami badawczymi na całym świecie. Akceleratory cząstek są jednymi z najważniejszych narzędzi we współczesnych badaniach naukowych. Chociaż istnieją różne rodzaje akceleratorów cząstek, większość z nich używa pól elektromagnetycznych, aby przyspieszyć naładowane cząstki do wysokich prędkości i skierować te cząstki do wiązki, która może być używana do eksperymentów w szerokim zakresie dziedzin naukowych. Wcześniejsze projekty z udziałem DESY doprowadziły do mapowania struktury wirusa grypy, wydłużenia żywotności żarówek, a także niedawnego wykrycia uderzeń serca w promieniowaniu gamma pochodzącym z kosmicznej chmury gazu. Ponadto dzięki akceleratorom lub detektorom zaprojektowanym i zbudowanym przez DESY osiągnięto kilka ważnych postępów naukowych w naszym rozumieniu najmniejszych znanych jednostek materii. 

Jednym z największych i najważniejszych projektów DESY jest Europejski Ośrodek Laserów Rentgenowskich na Swobodnych Elektronach (European XFEL). European XFEL to akcelerator, który generuje najsilniejsze i najjaśniejsze na świecie promieniowanie rentgenowskie. Wewnątrz 3,4-kilometrowego tunelu rozciągającego się od obiektu DESY do laboratorium badawczego w sąsiednim mieście Schenefeld,system magnesów i próżni przyspiesza elektrony niemal do prędkości światła, tworząc intensywne błyski laserów rentgenowskich. Te błyski mogą tworzyć obrazy procesów atomowych zachodzących w ułamku sekundy. Mogą wyświetlać strukturę atomową wirusów, nagrywać reakcje chemiczne i pokazywać materiały, z których składa się wnętrze planet. Obiekt jest stosunkowo nowy, ale maszynę tę wykorzystują już teraz naukowcy zajmujący się medycyną, chemią, fizyką, materiałoznawstwem, nanotechnologią, technologią energii elektrycznej i elektroniką. 

Dzięki wsparciu niemieckiego rządu i 11 innych krajów europejskich, które współpracują przy projekcie, DESY zainicjowało projekt i budowę akceleratora European XFEL. Dziś ośrodek badawczy jest prowadzony przez podmiot finansowany przez dwanaście krajów partnerskich. Każdego dnia grupy naukowców z całego świata przechodzą przez obiekt na zmiany, wykorzystując akcelerator European XFEL do prowadzenia swoich badań. Każda grupa ma ograniczony czas na przeprowadzanie eksperymentów, więc European XFEL musi działać niemal całą dobę, siedem dni w tygodni. 

Środowisko precyzji 

Utrzymanie każdej maszyny w sprawności przez cały czas jest wyzwaniem, ale zadanie DESY jest jeszcze trudniejsze ze względu na skomplikowaną naturę akceleratora European XFEL. System komputerów i elektroniki, które uruchamiają akcelerator, musi pracować w sposób ciągły z maksymalną wydajnością i precyzyjnym taktowaniem. Systemy taktowania są szczególnie ważne ze względu na ogromną ilość danych, które te maszyny zbierają — znaczniki czasu z dokładnością do ułamka sekundy w każdym punkcie danych mają kluczowe znaczenie dla uporządkowania wyników eksperymentów. 

Wiele typów podzespołów elektronicznych o różnych specyfikacjach musi komunikować się ze sobą w czasie rzeczywistym, aby zsynchronizować skomplikowane sygnały danych. Części akceleratora są wrażliwe, więc różnice temperatur między różnymi podzespołami lub zakłócenia spowodowane promieniowaniem mogą zakłócić działanie precyzyjnie dostrojonego systemu. 

Obudowy są ważnymi podzespołami każdego systemu akceleratora, ponieważ służą do przechowywania płyt zawierających niezbędną elektronikę. Płyty te są podobne do płyt głównych komputerów stacjonarnych. Oprócz przechowywania płyt obudowy utrzymują połączenia danych między każdą płytą oraz między płytami a całym europejskim systemem XFEL. Jednym z istotnych aspektów budowy European XFEL był wybór standardu obudów. Standardy obudów to zasady, które określają pewne wspólne cechy dla wszystkich obudów wyprodukowanych przy użyciu tego standardu, niezależnie od firmy lub producenta. Dzięki temu klienci mogą mieć pewność, że kupują obudowy wyposażone w niezbędne funkcje i atrybuty. 

Bezproblemowe rozwiązanie 

W przypadku European XFEL organizacja DESY chciała zastosować standard, którego wcześniej nie używała — microTCA. Szybka i niezawodna zdolność przesyłania danych przez microTCA, redundancja podstawowych części i możliwości zdalnego zarządzania sprawiły, że standard ten doskonale pasował do European XFEL. Brakowało również kilku rzeczy: możliwości umieszczenia płyt zarówno z przodu, jak i z tyłu obudowy oraz niektórych funkcji synchronizacji i synchronizacji niezbędnych do działania precyzyjnych maszyn, takich jak European XFEL. DESY potrzebowała nowego rodzaju rozwiązania. 

Współpracując z kilkoma grupami badaczy i inżynierów z wielu międzynarodowych organizacji, DESY i zespół inżynierów nVent SCHROFF opracowali specyfikacje dla nowego standardu: MTCA.4. Nowy standard wyeliminował niedociągnięcia poprzednich modeli microTCA, zachowując jednocześnie cechy, które sprawiły, że microTCA jest tak atrakcyjną opcją. Wykorzystując nowy standard, firma nVent wyprodukowała 250 skrzyń (obudów) MTCA.4 dla DESY i European XFEL. Z pomocą firmy nVent DESY stała się pierwszą grupą na świecie, która wdrożyła standard microTCA w projekcie akceleratora. 

Stała wydajność 

Skrzynie MTCA.4 maksymalizują czas pracy bez przestojów w akceleratorze European XFEL, umożliwiając bezzwłoczne przeprowadzenie ważnych badań. Wiele istotnych elementów MTCA.4 jest redundantnych, co oznacza, że jeśli jeden z nich przestanie działać, replika tej samej części jest już zainstalowana w obudowie, aby ją zastąpić. Dodatkowo MTCA.4 ma funkcje zdalnego zarządzania. Wszystkie funkcje wewnątrz MTCA.4 są monitorowane ze zdalnych komputerów, a wiele usług można wykonać zdalnie, co znacznie ułatwia inżynierom serwisowanie akceleratora i aktualizację oprogramowania bez zakłócania jego funkcjonalności. 

Skrzynie MTCA.4 znajdujące się w ośrodku European XFEL są również wyposażone w niezwykle szybkie łącza danych, które umożliwiają odczytywanie punktów danych w czasie rzeczywistym, mimo że wiele operacji w maszynie odbywa się w czasie krótszym niż miliardowa część sekundy. Pozwala to na precyzyjne przechwytywanie danych podczas pomiaru skrajnie krótkich reakcji w eksperymentach. 

Ponadto skrzynie MTCA.4 zapewniają dobre zabezpieczenie przed polami magnetycznymi i doskonałą wydajność chłodzenia punktowego. Wnętrze tunelu akceleratora nie jest optymalnym środowiskiem dla maszyn. Wiązka laserowa emituje promieniowanie i ciepło, które mogą uszkodzić delikatne elementy modułu elektronicznego. To sprawia, że obudowy nVent SCHROFF sprawują jeszcze bardziej istotną funkcję. 

Wyzwanie i szansa 

European XFEL to niezwykle zaawansowana maszyna, której zaprojektowanie i zbudowanie było skomplikowanym procesem. Zdefiniowanie nowego standardu obudów i praca nad jego wdrożeniem w European XFEL była projektem trwającym wiele lat, ale w rezultacie powstał akcelerator, który działa z pełną mocą. 

„W złożonym projekcie pojawiło się wiele wyzwań. Jednak dzięki wspólnym wysiłkom firmy nVent i grupy DESY wszystko przebiegało sprawnie”, mówi Ralf Waldt, inżynier terenowy firmy nVent, który współpracował z DESY przy projekcie. 

W projektach takich jak European XFEL opóźnienia w budowie — czasami trwające latami — są powszechne, podobnie jak problemy z synchronizacją po uruchomieniu maszyny. Jednak już od pierwszego dnia działalności było to udane przedsięwzięcie. 

„European XFEL od samego początku całkowicie polegał na MTCA.4”, mówi Kay Rehlich, inżynier DESY. „Akcelerator działał już od samego początku, dlatego nikt nie może uwierzyć, że jest tak szybki i sprawny”. 

Zespół nVent jest zawsze gotowy do zapewnienia wsparcia DESY w razie potrzeby, dzięki czemu akcelerator może działać przez cały czas. 

„Rozwiązania dostarczone przez firmę nVent po prostu działają” — przyznaje Rehlich. „Nie przypominam sobie, żeby choć jedna ze skrzyń w obiekcie uległa awarii”. 

Rozwiązania nVent SCHROFF w ośrodku European XFEL były niezawodne od początku projektu. Wytrzymują ciągłe użytkowanie i zapewniają szybkość przesyłania danych oraz niezawodność wymaganą przez ten potężny laser na swobodnych elektronach. Dzięki temu, że European XFEL działa sprawnie i niezawodnie, naukowcy mogą maksymalnie wykorzystać czas spędzony w ośrodku, poświęcając całą swoją uwagę ważnej pracy — znajdowaniu lekarstw na choroby, opracowywaniu nowych technologii i pogłębianiu wiedzy ludzkości na temat naszego wszechświata.