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        盈凡SCHROFF助力德國電子同步加速器(DESY)科學家不間斷地開展前沿科學研究

          2020年11月06日  

          盈凡SCHROFF為我們提供的產品均運行良好。我印象中實驗設施內無一系統機箱出過問題。

          作為德國領先的加速器中心之一,電子同步加速器研究所 (DESY) 擁有一支由數百名科學家組成的科研隊伍,專門致力于前沿技術的研究,為人類解答化學、物理和醫學方面的迫切問題。

          DESY專職負責粒子加速器的設計、制造和運營工作的團隊,與世界各地的科研小組建立了廣泛的合作關系。作為現代科學研究最重要的手段之一,粒子加速器雖然類型多樣,但大多通過電磁場加速帶電粒子形成束流來開展廣泛的科學實驗。DESY在此前的項目中成績斐然,例如繪制流感病毒結構,延長燈泡燈絲壽命以及近期探測到來自宇宙氣體云的“伽馬射線波動”。此外,DESY設計、制造的加速器或探測器還幫助科學家在已知最小物質單位探索方面取得了不俗的科學進展。

          歐洲X射線自由電子激光設施 (XFEL)是DESY規模最大,也是最重要的項目之一。這種加速器能發射出世界上最強最亮的X射線。其隧道全長3.4公里,從DESY站點延伸至相鄰的謝訥費爾德研究實驗室,可通過一個由磁鐵和真空組成的系統將電子加速到接近光速,產生強烈的X射線激光閃光,并生成原子瞬時發生裂變的過程圖像。這些圖像能顯示病毒的原子結構,記錄化學反應,并顯示行星內部的構成物質。該設施雖問世不久,但醫學、化學、物理、材料科學、納米技術、電能技術和電子學領域的科學家們都在爭相租用該該設施, 用于其負責的科學研究。

          在德國政府和其他11個歐洲合作國家的支持下,DESY開始著手設計和制造歐洲XFEL?,F在,該研究設施由這12個合作國家資助的機構負責運營。每天都有來自全球各地的科學家團隊輪流使用歐洲XFEL加速器進行研究。因為每個團隊的實驗時長有限,所以歐洲XFEL幾乎必須全天候運行。

          什么是粒子加速器?科學家在許多領域的重要研究都離不開粒子加速器,尤其是物質結構研究。粒子加速器的運行依賴電磁場——電磁場由正轉負,再由負轉正,從而推動帶電粒子通過管道。當粒子穿過機器時,其能級增加。當粒子達到所需能級時,將標靶放于粒子運行路徑上,就可以測量由此產生的粒子相互作用。在歐洲XFEL,帶電電子穿過由電磁力環繞的彎曲“回旋軌道”,發出射線,再輸出形成X射線閃光。

        要求極高精度的應用環境

          確保任何機器始終正常運行都絕非易事,但歐洲XFEL加速器的復雜性則更是讓DESY的工作重任在肩。運行加速器的計算機和電子系統必須在持續運行過程中保持峰值效率和精確時序。由于這些機器需要在極短時間間隔內收集大量數據,因此定時系統無比關鍵——每個數據點的時間戳必須達到極高精度,因為這將直接影響到實驗結果的實時處理。

          規格不同的各類電子組件必須保持實時通信,確保復雜數據信號的同步。加速器部件很敏感,因此不同部件之間的溫差或輻射干擾會對這些精密系統的測量結果造成影響。

          機箱用于保護重要的電路板,是加速器系統的重要部件。這些板卡類似于臺式電腦主板。除了保護電路板之外,機箱還負責維護各電路板之間以及電路板和整個歐洲XFEL系統之間的數據連接。歐洲XFEL建設的一個關鍵任務是選擇機箱標準。機箱標準指企業或制造商制造機箱所要遵守的共同特征規則,方便客戶確定機箱的功能和屬性。

        無縫解決方案

          在歐洲XFEL項目上,DESY希望引入一套先進的平臺標準,即盈凡SCHROFF microTCA。microTCA具有快速可靠的數據傳輸能力、主要部件均支持冗余備份和遠程管理功能,非常適合歐洲XFEL。但美中不足的是無法在機箱正面和背面同時放置電路板,并且缺少一些對操作歐洲XFEL等精密機器至關重要的定時和同步功能。因此,DESY需要一種全新的解決方案。

          DESY和盈凡SCHROFF工程團隊與來自多個國際組織的多組研究人員和工程師合作,為新標準SCHROFF MTCA.4制定了規范。新標準既彌補了此前microTCA的不足,又保留了microTCA的獨特優勢?;谛聵藴?,盈凡SCHROFF為DESY和歐洲XFEL制造了250個MTCA.4機箱設備。在盈凡SCHROFF的幫助下,DESY成為全球首個在加速器項目中實施microTCA標準的組織。

          宣傳:DESY和盈凡SCHROFF密切合作,致力于將SCHROFF microTCA推廣應用于其他加速器項目。MTCA.4非常適合DESY,他們為此提供了培訓,并向其他物理和大型科學團體推廣MTCA.4,盈凡SCHROFF則為推廣宣傳提供了示例。雙方都希望microTCA能夠成為未來加速器項目的新常態。
          穩定的性能

          盈凡SCHROFF MTCA.4機箱最大限度地延長了歐洲XFEL的無故障運行時間,確保重要研究的順利推進。MTCA.4的許多核心部件支持冗余配置,即使某個部件發生故障,機箱平臺內還有同一部件的“副本”來接替工作。此外,MTCA.4具有遠程管理功能,允許通過計算機聯網遠程監控其內部一切功能的運行,使得許多服務都能夠遠程完成,方便工程師更輕松地維護設備和更新軟件而無需中斷運行。

          歐洲XFEL設施內的MTCA.4機箱還支持超高速數據連接功能,即使機器內的許多操作不到一納秒(10-9秒),也能夠實時的對數據點進行讀取,因此在測量轉迅即逝的實驗結果時可以精確捕獲數據。

          此外,盈凡SCHROFF MTCA.4機箱還擁有卓越的電磁屏蔽和散熱性能。加速器隧道內部環境對于機械部件并不友好。射線束散發的輻射和熱量可能會損壞脆弱的計算機部件,這使得盈凡SCHROFF機箱在應用中的重要性尤為突出。

        挑戰與機遇

          歐洲XFEL是一臺精密機器,涉及繁復的設計和制造過程。雖然制定新的機箱標準并部署是一項經年累月的龐大工程,但最終催生了一臺威力巨大的加速器。

          “這個復雜的項目帶來了諸多挑戰,但通過盈凡SCHROFF和DESY的共同努力,一切得以順利進行,”與DESY合作的盈凡SCHROFF現場應用工程師Ralf Waldt表示。對于歐洲XFEL這類項目,延誤工期司空見慣。例如為了解決機器上線后的同步問題,,有時耗時長達數年之久。但是,一投入運營,這就是一次成功的冒險。

           “歐洲XFEL從一開始就完全離不開盈凡SCHROFF MTCA.4,”DESY工程師Kay Rehlich表示:“它不負眾望,從一開始就順利運轉,讓人驚艷?!庇睸CHROFF團隊能夠隨時為DESY提供支持,確保加速器始終正常運行。

          “盈凡SCHROFF為我們提供的產品均運行良好,”Rehlich贊道:“我印象中設施內無一系統機箱出過問題?!?/P>

          自項目啟動以來,歐洲XFEL的盈凡SCHROFF解決方案就體現出了卓越的可靠性:不僅能不間斷使用,還提供了這種強大的自由電子激光器所需的高速數據傳輸和可靠性。隨著歐洲XFEL順利穩定運行,科學家們能充分利用在該設施的寶貴時間,全力投身于重要工作,比如尋找治療疾病的方法,發現新技術或增進人類對宇宙的了解。

        標簽:盈凡  我要反饋
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