DESY-forskare stödjer banbrytande forskningen dygnet runt

Möjliggör viktig och innovativ forskning på ett av Tysklands ledande laboratorier 

Hundratals forskare vid Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), ett av Tysklands ledande acceleratorcenter, är pionjärer inom ny teknik och gör viktiga innovationer som hjälper mänskligheten att svara på brådskande frågor inom kemi, fysik och medicin. 

DESY konstruerar, bygger och driver partikelacceleratorer i samarbete med forskningsgrupper över hela världen. Partikelacceleratorer är några av de viktigaste verktygen i modern vetenskaplig forskning. Även om det finns olika typer av partikelacceleratorer använder de flesta elektromagnetiska fält för att accelerera laddade partiklar till höga hastigheter och kanalisera dessa partiklar till en stråle som kan användas i experiment inom ett brett spektrum av vetenskapliga fält. Tidigare projekt där DESY har medverkat har lett till kartläggningen av influensavirusets struktur, ökning av livslängden på glödlampors glödtrådar samt den nyligen gjorda upptäckten av hjärtslag av gammastrålar som kommer från ett kosmiskt gasmoln. Dessutom har flera viktiga vetenskapliga framsteg i vår förståelse för de minsta kända enheterna av materia uppnåtts med acceleratorer eller detektorer som utformats och byggts av DESY. 

Ett av DESY:s största och viktigaste projekt är den europeiska frielektronlaseranläggningen European XFEL. European XFEL är en accelerator som genererar världens starkaste och mest ljusstarka röntgenstrålning. Inuti en 3,4 kilometer lång tunnel som sträcker sig från en DESY-anläggning till ett forskningslabb i den angränsande staden Schenefeld, accelererar ett system av magneter och vakuumenheter elektroner nästan till ljusets hastighet för att skapa intensiva röntgenlaserblixtar. Dessa blixtar kan skapa bilder av atomprocesser som äger rum på en bråkdel av en sekund. De kan visa atomstrukturen för virus, filma kemiska reaktioner och visa de material som utgör planeters innandöme. Anläggningen är relativt ny, men forskare inom medicin, kemi, fysik, materialvetenskap, nanoteknik, elenergiteknik och elektronik använder redan maskinen. 

Med stöd från den tyska regeringen och 11 andra europeiska länder som samarbetar i projektet inledde DESY utformningen och konstruktionen av den europeiska XFEL-acceleratorn, och idag drivs forskningsanläggningen av en enhet som finansieras av tolv samarbetande länder. Varje dag roterar grupper av forskare från hela världen genom anläggningen i skift för att använda European XFEL-acceleratorn i sin forskning. Varje grupp har begränsad tid att utföra experiment, så European XFEL måste köras nästan dygnet runt. 

En precisionsmiljö 

Att hålla vilken maskin som helst i drift dygnet runt är en utmaning, men DESY:s arbete blir ännu svårare tack vare European XFEL-acceleratorns komplicerade natur. Systemet med datorer och elektronik som driver acceleratorn måste alltid arbeta med högsta effektivitet och med exakt timing. Tidtagningssystem är särskilt viktiga på grund av den enorma mängden data som dessa maskiner samlar in – tidsstämplar ned till en bråkdel av en sekund på varje datapunkt är väsentliga för att kunna ordna experimentresultaten. 

Många typer av elektronikkomponenter med olika specifikationer måste kommunicera med varandra i realtid för att synkronisera komplicerade datasignaler. Acceleratordelar är känsliga, så temperaturskillnader mellan olika komponenter eller störningar från strålning kan kullkasta det finjusterade systemet. 

Kapslingar är viktiga komponenter i alla acceleratorsystem eftersom de används för att hysa kretskort med viktig elektronik. De här korten liknar moderkort till stationära datorer. Förutom att hysa kretskorten har kapslingarna dataanslutningar mellan varje kort och mellan korten och hela European XFEL-systemet. En av de viktigaste aspekterna med att bygga European XFEL var att välja en standard för kapslingarna. Standarder för kapslingar är regler som specificerar vissa gemensamma egenskaper för alla kapslingar som byggts enligt den standarden, oavsett företag eller tillverkare. Det gör det lättare för kunderna att veta att de köper kapslingar med de funktioner och egenskaper de behöver inbyggda. 

En smidig lösning 

För European XFEL ville DESY använda en standard som de inte hade använt tidigare kallad MicroTCA. MicroTCA:s snabba och tillförlitliga dataöverföringsförmåga, redundans av viktiga delar och fjärrhanteringsfunktioner gjorde att den passade perfekt för European XFEL. Det saknades också några saker: möjligheten att sätta kretskort både framtill och baktill i kapslingen samt vissa tidtagnings- och synkroniseringsfunktioner som är nödvändiga för driften av exakta maskiner som European XFEL. DESY behövde en ny typ av lösning. 

Genom att samarbeta med flera grupper av forskare och ingenjörer från flera internationella organisationer utvecklade DESY och konstruktionsteamet från nVent SCHROFF specifikationerna för en ny standard: MTCA.4. Den nya standarden löste bristerna i tidigare MicroTCA-modeller men behöll de egenskaper som gjorde MicroTCA till ett så attraktivt alternativ till att börja med. Med den nya standarden tillverkade nVent 250 MTCA.4-lådor (kapslingar) för DESY och European XFEL. Med nVents hjälp blev DESY den första gruppen i världen som implementerade MicroTCA-standarden i ett acceleratorprojekt. 

Konstant prestation 

MTCA.4-lådorna maximerar drifttiden för European XFEL, vilket gör att viktig forskning kan gå vidare utan dröjsmål. Många av de viktigaste delarna av MTCA.4 är redundanta, vilket innebär att om en av dem slutar fungera är en identisk del redan monterad i skåpet redo att ta över. Dessutom har MTCA.4 fjärrhanteringsfunktioner. Alla funktioner i MTCA.4 övervakas från fjärrdatorer och en hel del service kan utföras på distans, vilket gör det mycket lättare för ingenjörer att utföra service på acceleratorn och uppdatera programvaran utan att störa funktionaliteten. 

MTCA.4-lådorna som finns i European XFEL-anläggningen är också utrustade med extremt snabba dataanslutningar som gör att datapunkter kan läsas i realtid, även om många åtgärder inom maskinen sker på mindre än en miljarddels sekund. Detta möjliggör exakt datainsamling vid mätning av extremt korta reaktioner i experiment. 

Dessutom ger MTCA.4-lådorna bra avskärmning mot magnetfält och utmärkt punktkylning. Insidan av acceleratortunneln är inte en optimal miljö för maskinerier. Strålen avger strålning och värme, vilket kan skada ömtåliga datorkomponenter. Det gör nVent SCHROFF-kapslingarna desto viktigare. 

Utmaning och möjlighet 

European XFEL är en invecklad maskin och det var en komplicerad process att utforma och bygga den. Att definiera en ny standard för kapslingar och arbeta med att implementera den i European XFEL var ett projekt som tog flera år att genomföra, men resultatet är en accelerator som presterar med full styrka. 

”Det fanns ett antal utmaningar i det komplexa projektet, men genom en fantastisk gemensam ansträngning av nVent och DESY har allt gått smidigt”, säger Ralf Waldt, nVents fälttillämpningsingenjör som samarbetade med DESY i projektet. 

I projekt som European XFEL är konstruktionsförseningar vanliga – ibland pågående i flera år – liksom problem med synkronisering när maskinen väl är online. Detta har dock varit ett framgångsrikt initiativ från dag ett av verksamheten. 

”European XFEL förlitade sig helt på MTCA.4 från första början”, säger Kay Rehlich, en ingenjör hos DESY. ”Eftersom den var igång redan från början kunde ingen tro sina ögon när de såg hur snabbt den arbetade och hur smidig den var.” 

nVent-teamet är alltid redo att ge stöd till DESY om det skulle behövas, vilket säkerställer att acceleratorn alltid kan vara igång. 

”Det vi fick från nVent fungerar helt enkelt”, säger Rehlich. ”Jag kan inte minnas att det varit fel på en enda låda i anläggningen.” 

nVent SCHROFF-lösningar i European XFEL har varit tillförlitliga sedan början av projektet. De har hållit under konstant användning och tillhandahåller den dataöverföringshastighet och tillförlitlighet som den här kraftfulla frielektronlasern kräver. När European XFEL fungerar smidigt och tillförlitligt kan forskarna få ut mesta möjliga av sin tid på anläggningen och kan vända hela sin uppmärksamhet mot sitt viktiga arbete: att hitta botemedel mot sjukdomar, uppfinna ny teknik och främja mänsklighetens förståelse för vårt universum.