Temat 5. PRACE APARATUROWE I METODYCZNE Główne prace w tej dziedzinie prowadzone były w DAI, DC, w zakładach: NZ21, NZ22, NZ57, oraz w pracowni POW w Zakładzie 52. BUDOWA INFRASTRUKTURY BADAWCZEJ zadanie 1. Budowa detektorów i infrastruktury badawczej dla eksperymentów fizyki i nauk pokrewnych DAI Zespół inżynierów i techników DAI bierze udział w budowie infrastruktury badawczej np. W7-X, XFEL, LHC i detektorów dla różnych eksperymentów np. CTA, Belle II, PRESPEC. Prace te umożliwiają fizykom IFJ PAN zarówno możliwości prowadzenia prac naukowych jak również pełne współuczestnictwo w przeprowadzanych eksperymentach. Opis realizowanych prac DAI wziął udział w pracach inżynieryjno-technicznych przy budowie: stellaratora W7-X w IPP Greifswald, lasera XFEL w DESY, teleskopu dla obserwatorium CTA oraz stanowiska do terapii protonowej w IFJ PAN. W DAI zaprojektowano i wykonano: mechaniczne elementy detektora paluszkowego dla eksperymentu PRESPEC w ramach programu NUSTAR FAIR w GSI oraz makietę i jej elementy potrzebne do modernizacji krzemowego detektora wierzchołka eksperymentu Belle II w KEK-B. W DAI zmodernizowano i wykonano dodatkowe jednostki urządzeń do testowania obwodów elektrycznych magnesów nadprzewodzących LHC w CERN. Opis najważniejszych osiągnięć W7-X: Zakończono ponad pięcioletni udział IFJ PAN w montażu największego w Europie stellaratora w IPP Greifswald. W projekcie brało udział ok. 50 wysoko wykwalifikowanych inżynierów i techników IFJ PAN, co stanowi równoważność ponad 160 osobo-lat. Zespół IFJ PAN zainstalował przewody zasilające nadprzewodzące cewki na każdym z pięciu segmentów i wykonał specjalistyczne połączenia tych przewodów. XFEL: Zakończono ponad dwuletnią fazę przygotowawczą do przeprowadzenia testów kwalifikacyjnych nadprzewodzących magnesów, wnęk rezonansowych i segmentów przyspieszających. Zespół IFJ PAN napisał i rozwinął oprogramowanie stanowisk testowych, zbudował lokalne bazy danych i włączył je do baz centralnych, wytrenował ponad 30 osób i napisał prawie 200 procedur testowych. CTA: W trakcie fazy projektowej zespół DAI wykonał projekt struktury małego teleskopu wraz z systemem napędów. Zespół wykonał również dwa prototypowe zwierciadła. Wyniki testów przeprowadzonych w niezależnych laboratoriach są podstawą do kontynuacji w 2013 r. prac nad zwierciadłami do średniego teleskopu. Wykorzystanie uzyskanych wyników Wyniki prac dotyczące różnych projektów i eksperymentów dały przyczynki do opublikowanych w 2012 r. z udziałem pracowników DAI 129 publikacji w czasopismach objętych wykazem Journal Citation Reports (JCR). Udział w budowie W7-X jest jednym z elementów szeroko zakrojonego projektu włączania się IFJ PAN w prace UE EURATOM związane z badaniami fizyki plazmy wysokotemperaturowej dla potrzeb zastosowań energetycznych. Łączny wysiłek ponad 30 osobo-lat wyceniony został przez XFEL na prawie 2 mln i 46
zaliczony jako udziały in-kind konsorcjum XFEL-Polska. Prototypowa struktura teleskopu CTA będzie zbudowana w polskim przemyśle w 2013 r. Jednostki pomiarowe będą wykorzystane w trakcie modernizacji LHC w latach 2013-2014. zadanie 2. Modernizacja i eksploatacja cyklotronu AIC-144 dla potrzeb terapii hadronowej DC Cel zadania Przygotowanie i zapewnienie sprawnej pracy cyklotronu podczas radioterapii protonowej pacjentów chorych na nowotwór gałki ocznej. Opis realizowanych prac 1. Poprawa struktury pola magnetycznego i systemu wysokiej częstotliwości dla utrzymania wartości maksymalnej energii oraz natężenia i stabilności (współpraca z ZIBJ, Dubna). 2. Rozwój systemu diagnostyki i monitoringu wiązki terapeutycznej (współpraca z ZIBJ, Dubna). 3. Optymalizacja transportu i stabilności wiązek na stanowisku terapeutycznym. 4. Modernizacja rozdzielni energetycznej w budynku cyklotronu, wymiana zasilaczy cewek koncentrycznych w systemie magnetycznym cyklotronu AIC-144. 5. Modernizacja systemu chłodzenia cyklotronu (obieg pierwotny). Opis najważniejszych osiągnięć W wyniku prowadzonych prac uzyskano stabilną wiązkę protonów o prądzie maksymalnym większym niż wymagany do prowadzenia terapii (energia 60 MeV, prąd do 100 na, stabilność prądu w granicach 5% wartości zadanej). Obecnie trwają prace nad obliczeniem i skonstruowaniem nowych magnesów odchylających wiązkę w jonowodzie (magnes M1 i M2). Pozwoli to na uzyskanie poprawy efektywności prowadzenia i ogniskowania wiązki protonów wyprowadzonej z cyklotronu i kierowanej do stanowiska terapii. Zakupiono i uruchomiono nowe zasilacze cewek koncentrycznych cyklotronu. Zbudowano i uruchomiono nowy system zasilania elektrycznego i stabilizacji wydajności prądu jonowego źródła jonów cyklotronu AIC-144. Przeprowadzono prace nad optymalizacją działania systemu chłodzenia cyklotronu (obieg pierwotny) poprzez regenerację zespołu silnik-pompa oraz wprowadzono system tłumików drgań rurociągu. Wykorzystanie uzyskanych wyników Realizacja w/w zadań zapewniła bezawaryjną pracę cyklotronu AIC-144 i zrealizowanie w pełni zapotrzebowania na wiązkę protonów dla realizacji zadań terapii protonowej. W okresie luty-kwiecień 2012 napromieniono 4 pacjentów Kliniki Okulistyki i Onkologii Okulistycznej Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie. Leczenie prowadzono w ramach eksperymentu medycznego. 47
zadanie 3. Kontynuacja prac nad zastosowaniem metod uzdatniania i filtracji wody w polu magnetycznym dla poprawy jakości wody pitnej i technologicznej Zakład NZ52 Pracownia POW Cel zadania 1. Badania nad wykorzystaniem pola magnetycznego do wspomagania procesów odżelaziania wody. 2. Badania porównawcze szybkości korozji stali w instalacji laboratoryjnej w wodzie uzdatnionej i nieuzdatnionej polem magnetycznym. Opis realizowanych prac Ad 1. Określono skład chemiczny i fazowy oraz własności magnetyczne osadów pobranych z osadnika sedymentacyjnego, służącego do oczyszczania mieszaniny technologicznej wody i ropy w kopalni ropy naftowej. Skład chemiczny pobranego materiału określono za pomocą analizy chemicznej i pomiarów EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). W wyniku tych badań stwierdzono obecność Fe, jako głównego składnika analizowanego osadu oraz duże frakcje siarki, tlenu wapnia i krzemu. Badania chemiczne uzupełnione o pomiary dyfrakcji rentgenowskiej i pomiary mössbauerowskie wskazują na obecność w próbce magnetytu, getytu, lepidokrokoitu, syderytu, siarczków żelaza, aragonitu kalcytu, anortytu, kwarcu i siarczanów baru. Dużą zawartość magnetytu i innych związków magnetycznych potwierdziły także pomiary pętli histerezy i podatności magnetycznej. Znaczny udział fazy magnetycznej w zawiesinie, pozwala na zastosowanie w procesach oczyszczania wody technologicznej, takich jak koagulacja, sedymentacja lub filtracja, urządzeń wykorzystujących pole magnetyczne, w celu bardziej efektywnego (poprzez np. przyśpieszenie koagulacji zawiesin) uzdatniania wody. Na podstawie wyników badań opracowano założenia konstrukcyjne i dokumentację wykonawczą prototypu urządzenia magnetycznego do wspomagania procesów uzdatniania wody technologicznej. Ad 2. Zaprojektowano schemat porównawczej, laboratoryjnej instalacji pomiarowej do badań korozyjnych i wykonano wstępne badania dotyczące możliwości zastosowania metody magnetohydrodynamicznej do ograniczenia procesów korozji sieci wodociągowych, ze szczególnym uwzględnieniem korozji mikrobiologicznej. Opis najważniejszych osiągnięć Ad 1. Opracowano metodykę oznaczania frakcji magnetycznej w próbkach środowiskowych. Dobór optymalnych fizykochemicznych metod pomiarowych pozwala na dużą dokładność oznaczenia frakcji magnetycznej w osadach, co umożliwia opracowanie skutecznie działających urządzeń przemysłowych. Określono wstępnie celowość (z uwzględnieniem aspektów ekonomicznych) i zakres stosowania metody uzdatniania wody polem magnetycznym w różnych procesach technologicznych oczyszczania wody. Zaprojektowano i wykonano prototyp urządzenia magnetycznego do wspomagania procesów uzdatniania wody. Ad 2. Wykonano model urządzenia magnetycznego i wykonano wstępną optymalizację jego 48
parametrów. Przygotowano i złożono w NCBiR wystąpienie o grant dot. zastosowania innowacyjnych metod fizykochemicznych do poprawy jakości wody pitnej poprzez obniżenie szybkości korozji sieci wodociągowych. Wykorzystanie uzyskanych wyników Przewidywane jest wdrożenie 8-10 szt. urządzeń, zbudowanych na magnesach ferrytowych i neodymowych o dużych wydajnościach (150-200 m 3 /h) w linii technologicznej uzdatniania wody złożowej, stosowanej do wytopu siarki w Kopalniach i Zakładach Chemicznych Siarki Siarkopol - kopalnia siarki Osiek w II kwartale 2013 roku. zadanie 4. Badania i rozwój akceleratorów i technik towarzyszących (7. PR UE TIARA) NZ14, NZ22 Cel zadania 1. Organizacja i zarządzanie wielkimi instalacjami akceleratorowymi oraz rozproszoną europejską infrastrukturą dla testów nowych technik akceleratorowych. 2. Dokumentacja istniejących instalacji dla badań i rozwoju technik akceleratorowych dla włączenia ich we wspólną europejską infrastrukturę badawczą oraz projektowanie rozwoju takiej infrastruktury. 3. Prace nad spójnym, obszernym programem badań i rozwoju technik Akceleratorowych w Europie 4. Opracowanie zasad organizacji i rozwoju edukacji i popularyzacji w zakresie fizyki i techniki akceleracji. Opis realizowanych prac Program UE TIARA PP to wstępna faza - Preparatory Phase szerszego projektu, mającego zapewnić powstanie silnej infrastruktury badawczej dla potrzeb rozwoju przyszłych akceleratorów. Prace dotyczące tego projektu zorganizowane są w pakiety tematyczne. Bierzemy udział w pracach czterech z nich: WP2 zajmującego się przygotowaniem zasad zarządzania przyszłą europejską, rozproszoną infrastrukturą dla rozwoju fizyki i technik akceleracji, WP3 zajmującego się określeniem potrzeb inwestycyjnych dla intensywnego programu rozwoju przyszłych badań, biorąc pod uwagę i klasyfikując istniejące instalacje, WP4 który opracowuje długoterminowy program takich badań, zbierając równocześnie, wspólnie z WP3, deklaracje możliwości i zainteresowania laboratoriów europejskich w udziale w takich przyszłych badaniach oraz w trybie przyszłego uczestnictwa, WP5 którego zadaniem jest rozpoznać europejski program edukacji w zakresie fizyk i technik akceleracji, ocenić i sklasyfikować kadrę naukowo-techniczną pracującą w tej dziedzinie, określić jej płynność, chłonność rynku zarówno biorąc pod uwagę instytucje badawcze, przemysł, oraz plany bieżących i przyszłych projektów akceleratorowych. Opis najważniejszych osiągnięć Zgodnie z założeniami projektu TIARA zasadniczymi celami ( deliverables ) są dokumenty, bazy danych oraz przedsięwzięcia popularyzatorskie. Te, które zatwierdzane zostają przez Komitet Sterujący projektu są publicznie dostępne: http://www.eu-tiara.eu/ Wykorzystanie uzyskanych wyników Z natury tego projektu wynika, że głównymi jego wynikami są te wspomniane wyżej opracowania dokumenty, bazy danych. Niemniej można już też wykazać na przykład, że znaczącymi, choć niematerialnymi wynikami są: -większa integracja polskiego środowiska fizyków i inżynierów zajmujących się 49
technikami akceleracji, m. in. dzięki akcji takiej, jak zorganizowana konferencja Mid-term Meeting of the TIARA-PL group -inicjatywa powołania w IFJ grupy fizyki akceleracji, uzupełniającej istniejącą szeroką działalność techniczną o badania i projekty naukowe. 50
NAJWAŻNIEJSZA INFRASTRUKTURA BADAWCZA 1. Cyklotron izochroniczny AIC-144 Jest to jedyny akcelerator w Polsce i w Europie Środkowo-Wschodniej, umożliwiający przyspieszanie protonów do energii ok. 60 MeV, umożliwiającej prowadzenie radioterapii protonowej nowotworów oka, prowadzenie prac naukowo badawczych w tym zakresie oraz prac z zakresu radiochemii (produkcja izotopów, analiza aktywacyjna). Na bazie tego urządzenia, we współpracy z ośrodkami medycznymi, w 2010 r. została ukończona budowa stanowiska radioterapii protonowej nowotworów oka. Obecnie cyklotron AIC-144 jest eksploatowany w cyklu dwuzmianowym (średnio po około 14 godzin dziennie), przez 5 dni w tygodniu. 2. Stanowisko do radioterapii protonowej nowotworów oka i badań, przy cyklotronie izochronicznym AIC-144 Jest to jedyne w Polsce stanowisko, na którym można prowadzić radioterapię protonową nowotworów oka oraz prowadzić badania, które wymagają wiązki protonowej o energii do 60 MeV. W 2012 r. na stanowisku radioterapii nowotworów oka, w ramach eksperymentu medycznego kontynuowano prace związane z napromienianiem nowotworów oka dla pacjentów Szpitala Uniwersyteckiego w Krakowie, przeprowadzono dwie sesje napromieniania dla pacjentów. W Europie działa jedynie sześć stanowisk radioterapii protonowej oka, pięć z nich funkcjonuje przy dużych instytutach naukowych, które udostępniają czas cyklotronu dla potrzeb prowadzenia radioterapii protonowej nowotworów oka. Stanowisko jest jedynym w Polsce urządzeniem pozwalającym prowadzić również prace badawcze dotyczące radioterapii protonowej, a w szczególności prace nad efektami radiobiologicznymi wiązek protonowych oraz dozymetrii protonów dla potrzeb radioterapii. Umożliwia też badania nad nowymi detektorami, które mogą mieć zastosowanie do dozymetrii wiązek protonowych wykorzystywanych w radioterapii. 3. Akcelerator typu Van de Graaffa z układem mikrowiązki jonowej oraz z komorą do naświetlania pojedynczymi jonami. Akcelerator dostarcza napięcie o wartości do 2,5 MV przy prądzie wiązki (na końcowych stanowiskach pomiarowych) w zakresie od ok. 1000 jonów/sek. do kilku na. Ze swoimi systemami badawczymi jest to jedyny układ tego typu w Polsce i jeden z niewielu w Europie środkowo-wschodniej. Urządzenie znajduje zastosowanie w badaniach składu pierwiastkowego (szczególnie pierwiastków śladowych) próbek biomedycznych, geologicznych, środowiskowych i innych (np. obiektów sztuki). Stanowisko do naświetlania pojedynczymi jonami wykorzystywane jest w badaniach odpowiedzi komórkowej na promieniowanie jonizujące. 4. Mikrowiązka rentgenowska Jest to urządzenie wytwarzające wielozadaniową mikrowiązkę rentgenowską o średnicy ogniska ok. 2 µm (FWHM). Stanowisko (trakt) do pomiarów metodą mikrotomografii komputerowej umożliwia nieniszczące obrazowanie struktury wewnętrznej obiektów o rozmiarach od setnych części milimetra do kilku centymetrów, ze zdolnością rozdzielczą ok. 2 µm, przy powiększeniu w zakresie 1 1500 razy. Jest jednym z dwóch stanowisk badawczych w Polsce o tak wysokiej zdolności rozdzielczej. 51
5. Tomograf magnetycznego rezonansu 4,7 T z wyposażeniem oraz tomograf 9,4 T z wyposażeniem Tomografy doświadczalne 9,4 T oraz 4,7T stanowią główne urządzenia Zakładu Tomografii Magnetyczno-Rezonansowe i służą do różnego typu eksperymentów MRI/MRS in vivo. Tomograf Magnetycznego Rezonansu Bruker Biospec 9,4T (dalej Tomograf MR 9,4T) został zainstalowany w IFJ PAN w maju 2011 roku. Zakupiony został w ramach projektu "Jagiellońskie Centrum Rozwoju Leków" (JCET) (MNiSW PO IG Działanie 2.2) i stanowi wspólna infrastrukturę badawczą dla instytucji partnerskich Centrum JCET. Przeznaczony jest przede wszystkim do badań biomedycznych w zakresie obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej małych zwierząt (np.: szczury, myszy) w warunkach in-vivo, do badań materiałowych oraz do prac rozwojowych nad metodami obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej MR. W szczególności aparatura jest wykorzystywana w takich zaawansowanych badaniach jak: obrazowanie układu sercowo-naczyniowego z wykorzystaniem technik obrazowania morfologii, czynności i dynamiki serca oraz obrazowania molekularnego, obrazowanie czynnościowe (fmri) mózgu, obrazowanie anizotropowej dyfuzji w badaniach funkcji układu nerwowego, spektroskopia zlokalizowana 1 H, 13 C, 31 P, 19 F poziomu metabolitów w przebiegu i leczeniu patologii. Do wyposażenia Tomografu MR 4,7T należy szereg wyspecjalizowanych głowic pomiarowych, wykonanych w IFJ PAN, przeznaczonych do poszczególnych projektów, ergometr do prowadzenia badań wysiłkowych mięśni szkieletowych człowieka oraz kilka wersji komór przepływowych zintegrowanych z głowicami pomiarowymi. 6. Dwuwiązkowy implantator jonów Implantator jonów, jest jednym z trzech tego rodzaju urządzeń w Polsce, natomiast jest jedynym i unikalnym urządzeniem, które posiada możliwość stosowania dwóch wiązek, a także pozwala zarówno implantować jony jak i pokrywać cienkimi powłokami powierzchnię obiektów trójwymiarowych. 7. Aparaturowe impulsowe źródła neutronów prędkich Na unikatowy zestaw impulsowych źródeł neutronowych składają się: 1) Generator plazmowy plasma-focus typu z-pinch, NSNS-2, (produkcja: 2009-12-18, rozpoczęcie użytkowania 2011-01-03) oraz 2) Akcelerator deuteronów ze stałą tarczą trytową, IGN-14, (produkcja: 1975-08-01, rozpoczęcie użytkowania: 1975-08-01). Zestaw aparaturowych impulsowych źródeł neutronowych IFJ PAN tworzy unikatowe w skali europejskiej laboratorium do badań neutronowych wykorzystujących źródła neutronowe, z możliwością szerokiego zakresu regulacji parametrów pracy: energii wyjściowej neutronów (od 14 MeV do ~0,025 ev), czasu trwania impulsu neutronowego (od 10 ns do wiązki ciągłej) i jego powtarzalności (od 0.3 ms do 60 s), wydajności (max. 5x10 9 n/s lub 10 9 n/impuls w zakresie ns). Źródła posiadają nowoczesne systemy sterowania i monitoringu wiązek, a stanowiska eksperymentalne wyposażone są w bogatą aparaturę pomiarową pozwalającą na prowadzenie prac badawczych począwszy od syntezy termojądrowej po jądrową geofizykę poszukiwawczą, a także badania podstawowe z zakresu własności pól neutronowych. 8. Zespół przyrządów z magnesami nadprzewodzącymi i kriostatami helowymi do badań materiałów molekularnych i nanostrukturalnych dla nowych technologii oraz spintroniki (1) Magnetometr SQUID ze specjalnym oprzyrządowaniem - Quantum Design MPMS- XL-7AC 52
(2) Podatnościomierz AC / magnetometr DC - Lake Shore 7225 (3) Spektrometr impulsowy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego do ciała stałego - Tecmag Konsola APOLLO. Urządzenia pozwalają na zaawansowane badania podstawowe oraz strategiczne prace ukierunkowane na potencjalne zastosowania. Tematyka ta obejmuje priorytetowe kierunki dotyczące badań fazy skondensowanej, nowych materiałów oraz nanotechnologii i zgodna jest z obszarami tematycznymi TECHNO, BIO i BASICS. Badania te prowadzimy przy użyciu magnetometrów i spektrometru MRJ, które oparte są na magnesach nadprzewodzących, umożliwiających poznanie właściwości badanych materiałów w jak najszerszym przedziale temperatur. Rozwój sieci lokalnej LAN oraz współpraca z akademicką siecią MAN 1. Rozwój szybkiej transmisji danych oraz utrzymanie systemów operacyjnych w klastrach komputerów i stacjach roboczych w IFJ PAN Kontynuowano przebudowę znacznej części światłowodowej lokalnej sieci LAN oraz zewnętrznego połączenia do sieci MAN. Modernizacja tej części pozwala na transmisje pomiędzy poszczególnymi klastrami obliczeniowymi wewnątrz IFJ na poziomie 20 Gbitów na sekundę, oraz wymianę danych pomiędzy klastrem GRID TIR 3 w Instytucie a klastrem GRID TIR 2 w MAN na poziomie do 4 Gbitów na sekundę z zapewnieniem dynamicznego wyboru drogi transmisji. 2. Zakupy oprogramowania, zapewnienie bezpieczeństwa i integralności sieci komputerowej Zapewnienie bezpieczeństwa w sieci polegało na ciągłym monitorowaniu ruchu sieciowego w lokalnej sieci LAN, jak również połączeń z siecią WAN oraz na konsultacjach z lokalnymi administratorami systemów Unix/Linux w zakresie bezpieczeństwa, jak i na monitorowaniu w sieci alertów wirusowych. Zakupiono kilkuset licencji oprogramowania antywirusowego zarządzanego centralnie wraz z subskrypcją na używanie tego oprogramowania przez następne 3 lata. Dokonywano systematycznej modernizacji sytemu operacyjnego oraz oprogramowania antywirusowego skanera poczty elektronicznej. Poddano również ciągłej aktualizacji dodatkowe programy filtrujące dla systemu poczty ograniczające do zadawalającego poziomu otrzymywanie wiadomości niepożądanych typu SPAM. Systematycznemu monitorowaniu poddano poprawność wykorzystywania serwisu DHCP wewnątrz Instytutu umożliwiającego obsługę prawie 800 klientów. Kontynuowano wdrażanie systemu monitorowania i zarządzania urządzeniami sieciowymi i komputerowymi przy użyciu protokołu SNMP. Klaster Cloud Computing Klaster obliczeniowy skonfigurowany został w formie tzw. prywatnej chmury obliczeniowej z wykorzystaniem techniki wirtualizacji i techniki elastycznych obliczeń (Cloud Computing). Składa się z jednostek obliczeniowych typu Blade o łącznej liczbie 1000 rdzeni (procesory Xeon L5640, 2,27 GHz, 2 GB RAM/rdzeń) oraz macierzy dysków o pojemności 100 TB. Interfejs dostępowy WWW pozwala na rezerwację zasobów obliczeniowych i ich wykorzystanie w sposób w pełni samoobsługowy. Wirtualizacja zapewnia możliwość uruchomienia maszyn wirtualnych z różnorodnymi systemami operacyjnymi na tym samym fizycznym sprzęcie. Użytkownik ma możliwość samodzielnej instalacji swojej aplikacji, zapisania zmodyfikowanego obrazu maszyny wirtualnej i jej ponownego uruchamiania. System posiada dodatkowe funkcje dedykowane dla obliczeń naukowych takie jak możliwość automatycznego tworzenia wirtualnych klastrów z przygotowanym systemem zadań wsadowych. 53