DESY 科学家夜以继日地支持尖端研究

在德国的一家领先实验室开展重要的创新研究

作为德国境内领先的加速器中心之一，Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) 的数百名科学家正在开拓新技术并进行重要创新，以帮助人类解决化学、物理和医学方面遇到的紧急问题。

DESY 与全球的研究小组合作设计、建造和运营粒子加速器。粒子加速器是现代科学研究中使用的最重要工具之一。虽然存在不同种类的粒子加速器，但大多数加速器都使用电磁场将带电粒子加速到高速，并将这些粒子引导成束以用于广泛的科学领域的实验。DESY 以往参与的项目实现了流感病毒架构映射，延长了灯丝的使用寿命，以及最近检测到来自宇宙气体云的伽玛射线心跳。此外，借助 DESY 设计和制造的加速器或探测器，我们在了解已知最小的物质单位方面取得了几项重要的科学进展。

DESY 最大型且最重要的项目之一是欧洲 X 射线自由电子激光设施（European X-Ray Free-Electron Laser Facility，简称 European XFEL）。欧洲 XFEL 是一台加速器，可产生世界上最强、最亮的 X 射线。在一条长 3.4 公里的隧道（从 DESY 设施延伸到邻近城镇 Schenefeld 的研究实验室）内，磁铁和真空系统将电子加速至接近光速的速度，以产生强烈的 X 射线激光闪光。这些闪光可以创建在几分之一秒内发生的原子过程的图像。它们可以揭示病毒的原子结构、拍摄化学反应过程，并展示构成行星内部的材料。该设施相对较新，但已有医学、化学、物理、材料科学、纳米技术、电能技术和电子设备领域的科学家使用该机器。

在德国政府和其他 11 个参与项目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计划。如今，一个由 12 个合作国家资助的实体负责运营该研究设施。每天，来自世界各地的科学家小组轮流在该设施中使用欧洲 XFEL 加速器开展研究活动。每个小组的实验时间有限，因此欧洲 XFEL 几乎必须全天候运行。

精密的环境

让任何机器始终保持运行状态都非易事，而考虑到欧洲 XFEL 加速器的复杂性，DESY 的工作变得更加困难。用于运行加速器的计算机和电子系统必须以最高效率和精确时间持续工作。计时系统尤其重要，因为这些计算机收集的大量数据（每个数据点上的时间戳精确到几分之一秒）对于组织实验结果至关重要。

许多具有不同规格的电子元件必须实时地相互通信，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差或辐射干扰可能会对精调好的系统造成影响。

机柜是任何加速器系统的重要组件，因为它们用于固定将容纳基本电子设备的电路板。这些电路板类似于台式计算机主板。除了容纳电路板外，机柜还维护每个电路板之间的数据连接，以及电路板与整个欧洲 XFEL 系统之间的数据连接。在欧洲 XFEL 的建设过程中，一个重要方面是选择机柜标准。机柜标准是为使用该标准构建的所有机柜指定某些共享特性的规则，公司或制造商不在考虑范围之内。这使得客户更容易知道他们购买了内置所需功能和属性的机柜。

无缝解决方案

对于欧洲 XFEL，DESY 希望使用他们以前从未使用过的标准，称为 microTCA。microTCA 快速可靠的数据传输能力、重要部件的冗余和远程管理功能使其非常适合欧洲 XFEL。在机柜正面和背面容纳电路板的能力，以及一些计时和同步功能，这些功能对于欧洲 XFEL 等精密机器的操作至关重要。DESY 需要新的解决方案。

通过与多个国际组织的一些研究人员团队和工程师团队合作，DESY 和 nVent SCHROFF 工程团队制定了符合新标准MTCA.4 的规格。新标准消除了以前 microTCA 模型中的缺陷，同时保持了最初使 microTCA 极具吸引力的特性。使用此新标准，nVent 为 DESY 和欧洲 XFEL 制造了 250 个 MTCA.4 机箱（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 标准的团队。

稳定的性能

MTCA.4 机箱可最大限度地延长欧洲 XFEL 的运行时间，使重要的研究活动不会延误。MTCA.4 的许多重要部件具有冗余性，这意味着，如果其中一个部件停止工作，该部件的副本已安装在机箱中并可接管工作。此外，MTCA.4 还具有远程管理功能。MTCA.4 内部的所有功能都由远程计算机监控，并且许多服务可以远程完成，这让工程师能够在不中断功能的情况下更轻松地维护加速器和更新软件。

欧洲 XFEL 设施中的 MTCA.4 机箱还配备了极快的数据连接，支持实时读取数据点，即使机器内的许多操作在不到十亿分之一秒内完成也受支持。这样，就可以在测量实验中的极短反应时获得精确的数据。

此外，MTCA.4 机箱还提供良好的磁场屏蔽功能和局部冷却性能。加速器隧道内部并不适于执行机械操作。光束会发出辐射和热量，可能会损坏脆弱的计算机组件。这让 nVent SCHROFF 机柜显得更加重要。

挑战与机遇

欧洲 XFEL 是一台复杂的机器，因此其设计和建造过程也十分复杂。制定新的机柜标准并在欧洲 XFEL 中实施该标准是一个酝酿多年的项目，但结果是加速器发挥了最大的作用。

nVent 现场应用工程师 Ralf Waldt 表示：“这个复杂项目带来了许多挑战，但在 nVent 和 DESY 的共同努力下，一切都进展顺利。”

在像欧洲 XFEL 这样的项目中，施工延误（有时持续数年）很常见，在机器投入运营后的同步问题也很常见。但是，从投入运营的第一天起，这也成为一项成功的风险资本。

“European XFEL 从一开始就完全依赖 MTCA.4。”DESY 工程师 Kay Rehlich 说，“自开始投入运行以来，大家都对它的快速和顺畅惊叹不已。”

如果需要，nVent 团队能够随时为 DESY 提供支持，确保加速器始终正常运行。

“nVent 提供给我们的产品工作起来很简单。”Rehlich 说，“在我的印象里，工厂里的板条箱都没有出现过故障。”

自项目开始以来，在欧洲 XFEL 中采用的 nVent SCHROFF 解决方案一直很可靠。这些解决方案经受住了长时间使用的考验，并提供该强大的自由电子激光器所需的数据传输速度和可靠性。European XFEL 顺畅、可靠地运行，使科学家能够最大限度增加在设施里工作的时间，并专注于寻找疾病治疗方法，发明新技术，促进人类对宇宙的了解。