DESY科学家全天候支持尖端研究

DESY科学家全天候支持尖端研究




“我们从nVent那里得到的东西只是工作。我不记得有一个箱子失败了。”

作为德国领先的加速器中心之一的Deutsches Elektronen-Synchrotron(DESY)的数百名科学家正在开拓新技术,帮助人类回答化学,物理和医学的紧迫问题。

DESY与全球研究小组合作设计,建造和运行粒子加速器。粒子加速器是现代科学研究中最重要的工具。尽管存在不同类型的粒子加速器,但大多数都使用电磁场将带电粒子加速到高速并将这些粒子引导到束中,该束可用于广泛的科学领域中的实验。以前参与DESY的项目已经导致了流感病毒结构的定位,灯泡灯丝寿命的延长,以及最近发现的来自宇宙气云的伽马射线心跳。此外,

欧洲最大的X射线自由电子激光设备是DESY规模最大,最重要的项目之一,欧洲XFEL。欧洲XFEL是产生世界上最强最明亮的X射线的加速器。在一个从DESY设施延伸到邻近小镇Schenefeld的研究实验室的3.4公里长的隧道内,磁铁和真空系统将电子加速到接近光速,从而产生强烈的X射线激光闪光。这些闪光可以创建原子过程的图像,这些图像在不到一秒的时间内发生。它们可以显示病毒的原子结构,拍摄化学反应并显示构成行星内部的材料。该设施相对较新,但已经有医学,化学,物理学,材料科学,纳米技术,电能技术和电子学方面的科学家正在使用该机器。

在德国政府和其他11个与该项目合作的欧洲国家的支持下,DESY启动了欧洲XFEL加速器的设计和建造,如今,该研究设施由一个由12个合作国家资助的实体运营。每天,来自世界各地的科学家团队都使用欧洲XFEL加速器轮流在设施中轮流进行研究。每个小组都有有限的时间进行实验,因此欧洲XFEL必须运行近24/7。

什么是粒子加速器?科学家在许多领域都依赖粒子加速器进行重要研究,但特别是要研究物质结构的工作。粒子加速器通过使用电磁场来工作,电磁场从正向切换为负,然后再次返回以通过管道推动带电粒子。随着粒子在机器中移动,其能级增加。当粒子达到所需的能级时,将目标放置在其路径中,并测量所得的相互作用。在欧洲XFEL的情况下,带电的电子穿过弯曲的磁铁“激流回程”,发出的辐射被引导到X射线闪光灯中。

精确的环境

保持任何机器始终处于运行状态是一个挑战,但是由于欧洲XFEL加速器的复杂性,DESY的工作变得更加困难。运行加速器的计算机和电子系统必须以最高效率和精确的时间持续工作。由于这些机器会收集大量数据,因此计时系统尤为重要-在组织实验结果时,每个数据点上不到一秒的时间戳是至关重要的。

具有不同规格的许多类型的电子组件必须彼此实时通信以同步复杂的数据信号。加速器部件很敏感,因此不同组件之间的温度差异或辐射干扰可能会在精密调整的系统中投入扳手。

外壳是任何加速器系统的重要组件,因为它们用于固定容纳重要电子设备的电路板。这些板类似于台式计算机的主板。除了容纳这些板之外,这些机箱还维护每个板之间以及板与整个欧洲XFEL系统之间的数据连接。建立欧洲XFEL的重要方面之一是选择外壳标准。机柜标准是为使用该标准构建的所有机柜指定特定共享特征的规则,无论公司或制造商如何。这使客户更容易知道他们正在购买具有内置功能和属性的机箱。

无缝解决方案

对于欧洲XFEL,DESY希望使用以前未使用的标准,称为microTCA。microTCA的快速可靠的数据传输能力,基本部件的冗余性和远程管理功能使其非常适合欧洲XFEL。还缺少一些东西:在机箱的正面和背面都装有板的能力,以及一些定时和同步功能,这些功能对于操作精密机器(如欧洲XFEL)至关重要。DESY需要一种新的解决方案。

与来自多个国际组织的几组研究人员和工程师合作,DESY和nVent SCHROFF工程团队开发了新标准MTCA.4的规范。新标准解决了以前的microTCA模型的不足,同时保留了使microTCA成为有吸引力的选择的特征。有了新标准,nVent为DESY和欧洲XFEL生产了250个MTCA.4板条箱(机柜)。在nVent的帮助下,DESY成为世界上第一个在加速器项目中实施microTCA标准的组织。

宣传 DESY和nVent正在密切合作,继续推广microTCA作为其他加速器项目的解决方案。MTCA.4非常适合DESY,他们正在提供培训并将其推广到其他物理学和大型科学团体。nVent已为这些演示提供了示例,双方都希望microTCA可以成为未来加速器项目的新常态。

稳定的表现

MTCA.4板条箱可最大限度延长欧洲XFEL的正常运行时间,从而使重要的研究得以毫不拖延地向前发展。MTCA.4的许多基本部件都是冗余的,这意味着如果停止工作,则已经在机箱中安装了相同部件的副本以进行接管。此外,MTCA.4具有远程管理功能。MTCA.4内部的所有功能都可以通过远程计算机进行监视,并且可以远程完成许多服务,这使工程师更容易维修加速器并更新软件而不会中断功能。

位于欧洲XFEL设施中的MTCA.4包装箱还配备了非常快速的数据连接,即使机器中的许多操作发生在不到十亿分之一秒的时间内,也可以实时读取数据点。在实验中测量极短的反应时,这可以实现精确的数据捕获。

此外,MTCA.4板条箱提供了良好的屏蔽磁场的能力和出色的点冷却性能。加速器通道的内部不是机械的最佳环境。光束会散发出辐射和热量,这可能会损坏易碎的计算机组件。这使得nVent SCHROFF机箱更加重要。

挑战与机遇

欧洲XFEL是一台复杂的机器,设计和制造它是一个复杂的过程。定义新的外壳标准并努力在欧洲XFEL中实施该标准是一个多年的项目,但最终结果是加速器发挥了最大的作用。

与DESY合作的nVent现场应用工程师Ralf Waldt说:“这个复杂的项目提出了许多挑战,但是通过nVent和DESY的共同努力,一切都运行顺利。”

在像欧洲XFEL这样的项目中,施工延误(有时持续数年)是很常见的,一旦机器上线,同步问题也很常见。但是,从运营的第一天开始,这就是成功的尝试。

“欧洲XFEL从一开始就完全依赖MTCA.4,” DESY工程师Kay Rehlich说。“由于它从一开始就运行,所以没有人能相信它运行的速度和平滑度。”

nVent团队随时准备为DESY提供支持,以确保加速器始终保持运行状态。

Rehlich说:“我们从nVent那里得到的东西很奏效。” “我不记得一个箱子在设施中失灵了。”

自项目开始以来,欧洲XFEL的nVent SCHROFF解决方案就一直可靠。他们一直坚持使用,并提供这种强大的自由电子激光器所需的数据传输速度和可靠性。随着欧洲XFEL的平稳可靠运行,科学家们可以充分利用自己在实验室的时间,将全部精力投入到重要工作上:寻找治疗疾病的方法,发明新技术并加深人类对我们宇宙的理解。