Ermöglichung wichtiger und innovativer Forschung in einem der führenden Labore in Deutschland
Hunderte von Wissenschaftlern am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), einem der führenden Teilchenbeschleunigerzentren in Deutschland, leisten Pionierarbeit bei neuen Technologien. Sie bringen entscheidende Innovationen hervor, die der Menschheit helfen, dringende Fragen der Chemie, Physik und Medizin zu beantworten.
DESY entwickelt, baut und betreibt Teilchenbeschleuniger in Zusammenarbeit mit Forschergruppen aus aller Welt. Teilchenbeschleuniger gehören zu den wichtigsten Instrumenten der modernen wissenschaftlichen Forschung. Es gibt verschiedene Arten von Teilchenbeschleunigern. Aber die meisten nutzen elektromagnetische Felder, um geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen und diese Teilchen in einem Strahl zu bündeln, der für Experimente in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Bereichen genutzt werden kann. Bisherige Projekte, an denen DESY beteiligt war, haben zur Erforschung der Struktur des Influenzavirus und zur längeren Lebensdauer von Glühbirnenfäden beigetragen – sowie erst kürzlich – zum Nachweis von Gammastrahlen-Herzschlägen aus einer kosmischen Gaswolke. Darüber hinaus wurden mit den von DESY entwickelten und gebauten Beschleunigern und Detektoren mehrere wichtige wissenschaftliche Fortschritte hinsichtlich des Verständnisses der kleinsten bekannten Einheiten der Materie erzielt.
Die European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) ist eines der größten und wichtigsten Projekte von DESY. Der European XFEL ist ein Beschleuniger, der die stärkste und hellste Röntgenstrahlung der Welt erzeugt. In einem 3,4 Kilometer langen Tunnel, der von einer DESY-Anlage zu einem Forschungslabor in der Nachbarstadt Schenefeld führt, beschleunigt ein System aus Magneten und Vakuum Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit zur Erzeugung intensiver Röntgenlaserblitze. Diese Blitze können Bilder von atomaren Prozessen erzeugen, die in einem Bruchteil einer Sekunde stattfinden. So kann man mit diesen Beschleunigern die atomare Struktur von Viren darstellen, chemische Reaktionen filmen und die Materialien im Inneren von Planeten sichtbar machen. Die Anlage ist relativ neu, aber Wissenschaftler aus den Bereichen Medizin, Chemie, Physik, Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Elektroenergietechnik und Elektronik nutzen die Maschine bereits.
DESY hat mit Unterstützung der Bundesregierung und 11 weiterer europäischer Partnerländer das Design und den Bau des European XFEL-Beschleunigers initiiert. Heute wird die Forschungsanlage von einer Einrichtung betrieben, die von zwölf Partnerländern finanziert wird. Jeden Tag arbeiten Gruppen von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt im Schichtbetrieb mit dem European XFEL-Beschleuniger, um ihre Forschungen durchzuführen. Jede Gruppe hat nur begrenzt Zeit, um Experimente durchzuführen, wodurch der European XFEL fast rund um die Uhr in Betrieb ist.
Ein Umfeld der Präzision
Eine Anlage ständig betriebsbereit zu halten, stellt eine Herausforderung dar, aber die Komplexität des European-XFEL-Beschleunigers erschwert die Aufgabe von DESY zusätzlich. Das System aus Computern und Elektronik, mit dem der Beschleuniger betrieben wird, muss ständig mit höchster Effizienz und einem präzisen Zeitplan arbeiten. Zeitsteuerungssysteme sind besonders wichtig, da diese Maschinen riesige Datenmengen sammeln – Zeitstempel bis auf den Bruchteil einer Sekunde für jeden Datenpunkt sind entscheidend für die Organisation der Ergebnisse der Experimente.
Zum Synchronisieren der komplexen Datensignale müssen viele Arten von elektronischen Komponenten mit unterschiedlichen Spezifikationen in Echtzeit miteinander kommunizieren. Beschleunigerbauteile sind empfindlich, sodass Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Bauteilen oder Störungen durch Strahlung dem fein abgestimmten System einen gewaltigen Dämpfer verpassen können.
Gehäuse sind wichtige Bestandteile eines jeden Beschleunigersystems, da diese zur Aufnahme von Platinen dienen, auf denen wichtige Elektronik untergebracht ist. Diese Platinen sind mit den Hauptplatinen von Desktop-Computern vergleichbar. Die Gehäuse beherbergen nicht nur die Platinen, sondern stellen auch die Datenverbindungen zwischen den einzelnen Platinen sowie zwischen den Platinen und dem gesamten European-XFEL-System her. Einer der wichtigsten Aspekte beim Bau des European XFEL war die Wahl eines Gehäusestandards. Gehäusestandards sind Regeln, die bestimmte gemeinsame Merkmale für alle Gehäuse festlegen, die nach diesem Standard gebaut werden, unabhängig von Unternehmen oder Hersteller. Auf diese Weise können die Kunden sicher sein, dass diese ein Gehäuse erwerben, das die erforderlichen Merkmale und Eigenschaften aufweist.
Eine nahtlose Lösung
Für den European XFEL sollte im DESY einen Standard namens microTCA verwendet werden, der zuvor noch nicht eingesetzt wurde. Die schnelle und zuverlässige Datenübertragung von microTCA, die Redundanz wichtiger Teile und die Möglichkeit der Fernverwaltung machten es zu einer idealen Lösung für den European XFEL. Einige Dinge fehlten bisher jedoch: die Möglichkeit, Platinen sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des Gehäuses unterzubringen, sowie einige Zeitsteuerungs- und Synchronisationsfunktionen, die für den Betrieb von Präzisionsmaschinen wie dem European XFEL unerlässlich sind. DESY benötigte einen neuen Lösungsansatz.
In Zusammenarbeit mit mehreren Gruppen von Forschern und Ingenieuren aus mehreren internationalen Organisationen entwickelten DESY und das Engineering-Team von nVent SCHROFF die Spezifikationen für einen neuen Standard: MTCA.4. Der neue Standard behebt die Unzulänglichkeiten der bisherigen microTCA-Modelle und behält gleichzeitig die Eigenschaften bei, die microTCA überhaupt erst so attraktiv gemacht haben. Mit dem neuen verfügbaren Standard fertigte nVent 250 MTCA.4-Kästen (Gehäuse) für DESY und den European XFEL. Mit der Hilfe von nVent war DESY die erste Gruppe weltweit, die den microTCA-Standard in einem Beschleunigerprojekt implementiert hat.
Konstante Leistung
Die MTCA.4-Kästen maximieren die Betriebszeit des European XFEL, sodass wichtige Forschungsarbeiten ohne Verzögerung vorangetrieben werden können. Viele der wesentlichen Teile des MTCA.4 sind redundant, d. h., wenn eines der Teile ausfällt, ist bereits eine Kopie desselben Teils im Gehäuse installiert, um dieses zu ersetzen. Außerdem verfügt MTCA.4 über Fernverwaltungsfunktionen. Alle Funktionen im MTCA.4 werden von Remote-Computern aus überwacht und viele Dienste können aus der Ferne ausgeführt werden. Dies erleichtert es den Technikern, den Beschleuniger zu warten und die Software zu aktualisieren, ohne die Funktionalität zu unterbrechen.
Die in der European-XFEL-Anlage untergebrachten MTCA.4-Kästen sind außerdem mit extrem schnellen Datenverbindungen ausgestattet. Sie ermöglichen das Auslesen von Datenpunkten in Echtzeit, auch wenn viele Vorgänge innerhalb der Maschine in weniger als einer Milliardstel Sekunde ablaufen. Dies ermöglicht eine präzise Datenerfassung bei der Messung extrem kurzer Reaktionen in Experimenten.
Darüber hinaus bieten die MTCA.4-Kästen eine gute Abschirmung gegen Magnetfelder und eine hervorragende Punktkühlleistung. Das Innere des Beschleunigertunnels ist keine optimale Umgebung für Maschinen. Der Strahl gibt Strahlung und Wärme ab, die empfindliche Computerkomponenten beschädigen könnten. Umso wichtiger sind die nVent SCHROFF Gehäuse.
Herausforderung und Chance
Der European XFEL ist ein kompliziertes Gerät, dessen Entwicklung und Bau sehr aufwändig war. Die Definition eines neuen Gehäusestandards und die Arbeit an dessen Umsetzung im European XFEL war ein jahrelanges Projekt, aber das Ergebnis ist ein Beschleuniger, der mit voller Leistung arbeitet.
„Das komplexe Projekt brachte eine Reihe von Herausforderungen mit sich, aber dank der großen gemeinsamen Anstrengungen von nVent und DESY ist alles reibungslos verlaufen“, sagte Ralf Waldt, nVent Anwendungstechniker, der mit DESY an dem Projekt gearbeitet hat.
Bei Projekten wie dem European XFEL sind Verzögerungen beim Bau, die manchmal Jahre dauern können, und Probleme mit der Synchronisation nach Inbetriebnahme der Anlage keine Seltenheit. Dieses Projekt ist jedoch vom ersten Tag an erfolgreich verlaufen.
„Der European XFEL hat sich von Anfang an vollständig auf MTCA.4 verlassen“, sagte Kay Rehlich, Ingenieur von DESY. „Da dieser von Anfang an richtig lief, kann niemand glauben, wie schnell und reibungslos er funktionierte.“
Das nVent-Team ist jederzeit bereit, DESY im Bedarfsfall zu unterstützen, damit der Beschleuniger immer betriebsbereit bleibt.
„Die Produkte, die wir von nVent erhaltenen haben, funktionieren einfach“, erklärte Rehlich. „Ich kann mich an keine einzige Vorrichtung erinnern, die in der Einrichtung versagt hätte.“
Die nVent SCHROFF Lösungen haben sich im European XFEL seit Beginn des Projekts als zuverlässig erwiesen. Sie haben sich im Dauereinsatz bewährt und bieten die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Datenübertragung, die dieser leistungsstarke Freie-Elektronen-Laser benötigt. Wenn der European XFEL reibungslos und zuverlässig läuft, können die Wissenschaftler ihre Zeit in der Anlage optimal nutzen und sich ganz auf ihre wichtige Arbeit konzentrieren: Heilmittel für Krankheiten zu finden, neue Technologien zu erfinden und das Universum weiter zu erforschen.
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