Projekty realizowane w Laboratorium Zakładu Układów Mikrofalowych Instytutu Systemów Elektronicznych PW

Zaciekawiona wykładem dr hab. inż. Krzysztofa Czuby o akceleratorze cząstek elementarnych, który miałam przyjemność wysłuchać podczas jednej z wielu konferencji branżowych organizowanych ostatnio w Polsce, poprosiłam o spotkanie. Chciałam bliżej zapoznać się z projektami realizowanymi na warszawskiej uczelni i przedstawić je czytelnikom portalu Mikrokontroler.pl. Ku mojemu zaskoczeniu, uczestniczyli w nim również inni pracownicy naukowi Politechniki. Ucieszyłam się, bo to oznacza, że nie tworzą do szuflady, ale myślą o komercjalizacji i promocji opracowanych przez siebie rozwiązań.

Rozmowa o wybranych projektach realizowanych w Laboratorium Zakładu Układów Mikrofalowych Instytutu Systemów Elektronicznych – ISE PW. Od lewej: mgr inż. Andžej Šerlat, mgr inż. Michał Kalisiak, dr inż. Dominik Sikora, dr hab. inż. Krzysztof Czuba, Agnieszka Kubasik z redakcji Mikrokontroler.pl, mgr inż. Radosław Papis, dr inż. Maciej Urbański, dr hab. inż. Arkadiusz Lewandowski. Fot. Michał Szapiro

Współpraca z ośrodkami badawczymi na całym świecie

Na początek prof. Czuba, dyrektor ISE PW, opowiedział o dwóch gałęziach badań realizowanych przez pracowników jego zakładu. Jedna dotyczy projektów wykonywanych dla dużych instytucji badawczych, a druga dedykowana jest komercyjnym zastosowaniom urządzeń pomiarowych. Podkreślił, że ISE PW współpracuje z ośrodkami badawczymi już od ponad 20 lat. Pierwszym było laboratorium DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) w Hamburgu, które jest drugim co do wielkości w Europie ośrodkiem budującym oraz używającym akceleratory cząstek elementarnych. Największy działający obecnie w DESY akcelerator elektronów, o długości prawie 2 km, został zbudowany w latach 2009-2017. Dostarcza elektrony dla Europejskiego Lasera na Swobodnych Elektronach (European XFEL), mieszczącego się wraz z akceleratorem w tunelu o długości równej prawie 3,5 km.

– Ultra krótkie impulsy koherentnego promieniowania rentgenowskiego o bardzo wysokiej intensywności wykorzystywane m.in do badań materiałowych, a także badań nad wirusami oraz przebiegiem szybkich reakcji chemicznych w czasie rzeczywistym – powiedział prof. Krzysztof Czuba.

Slajd z prezentacji dr Krzysztofa Czuby podczas 5 edycji Hardware Design Masterclasses we Wrocławiu

Układy elektroniczne dla European XFEL

Oprócz instytucji badawczych z lasera korzystają również firmy chemiczne, medyczne i farmaceutyczne. To właśnie do tego największego akceleratora warszawskie Laboratorium Zakładu Układów Mikrofalowych stworzyło szereg urządzeń elektronicznych, takich jak układy akwizycji danych, konwersji częstotliwości, generatory, wzmacniacze i zaawansowane filtry mikrofalowe. Jednym z głównych projektów zespołu, wykonanym w Warszawie, był trójkanałowy system generatora wzorcowego o częstotliwości wyjściowej 1,3 GHz, który charakteryzuje się najlepszą czystością widmową spośród wszystkich znanych urządzeń tego rodzaju, działających w czasie uruchamiania systemu. Uzyskano stałość fazy na poziomie 10 femtosekund, przy mocy wyjściowej przekraczającej 20 W.

– Sygnały z generatora wzorcowego rozprowadzono do kilkuset urządzeń rozlokowanych wzdłuż tunelu akceleratora XFEL za pomocą bardzo precyzyjnego systemu synchronizacji sygnałów również zbudowanego przez zespół ISE PW – oznajmił prof. Czuba.

Dr hab. inż. Krzysztof Czuba, mgr inż. Andžej Šerlat, mgr inż. Michał Kalisiak i dr hab. inż. Arkadiusz Lewandowski. Fot. Agnieszka Kubasik

System dystrybucji sygnałów referencji fazy dla akceleratora protonów

W latach 2016 – 2022 zespół uczestniczył w budowie systemu dystrybucji sygnałów referencji fazy (ang. Phase Reference Line) dla akceleratora protonów będącego częścią Europejskiego Źródła Spalacyjnego (ESS), budowanego obecnie w Lund, w Szwecji.

– Projekt stanowił niezwykle poważne wyzwanie inżynierskie, gdyż wymagał pasywnej dystrybucji harmonicznych sygnałów referencyjnych o częstotliwościach 352 MHz oraz 704 MHz do prawie 300 wyjść linii rozłożonych wzdłuż tunelu akceleratora o długości 600 metrów. Oczekiwana stałość fazy wynosiła odpowiednio 0,1o krótkoterminowo oraz 1o długoterminowo, pomiędzy dwoma dowolnymi punkami linii dystrybucyjnej. Dodatkowym utrudnieniem był wysoki poziom promieniowania w czasie pracy akceleratora, przez który zabronione jest stosowanie niektórych materiałów, w tym teflonu, standardowego dielektryka w wielu komponentach RF, a przede wszystkim w przewodach koncentrycznych. W czasie ponad 6 lat pracy zespołu ISE PW osiągnięto wszystkie wymagane parametry, poprzez budowę koncentrycznej linii sztywnej w standardzie 1 5/8”, wypełnionej czystym azotem i stabilizowanej termicznie w zakresie +/- 0,1 oC na całej długości 600 m. Opracowano wiele unikatowych rozwiązań technicznych, które stanowią wzorzec dla podobnych systemów budowanych obecnie w ośrodkach na całym świecie. Od momentu uruchomienia system jest ciągle użytkowany w akceleratorze ESS i stanowi „serce” jego systemów sterowania oraz diagnostyki wiązki – zapewnił dyrektor Instytutu.

Slajd z prezentacji dr Krzysztofa Czuby podczas 5 edycji Hardware Design Masterclasses we Wrocławiu

Konsorcjum z Politechniką Łódzką i Narodowym Centrum Badań Jądrowych

Poza systemem referencyjnym zespół ISE PW utworzył z Politechniką Łódzką oraz Narodowym Centrum Badań Jądrowych konsorcjum. Zaprojektowało ono elementy składowe, zmontowało, przetestowało, dostarczyło do ESS i zainstalowało 150 systemów sterowania wiązki protonowej opartych na platformie MTCA.4. Prace trwały w latach 2016-2021.

– Inżynierowie z ISE PW nadal współpracują z grupą ESS, odpowiedzialną za budowę systemów diagnostyki wiązki protonowej. Wspólnie opracowano wiele rozwiązań takich jak układy pomiarowe, tzw. front end detektorów, systemy do zbierania dużej ilości danych diagnostycznych, a także okablowanie i infrastrukturę kilkuset szaf rakowych dla systemów diagnostyki wiązki ESS – wskazał prof. Czuba.

Akcelerator dla Fermilab w Chicago

Od roku 2020 zespół z PW współpracuje także z amerykańskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych i wysokich energii Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) w Chicago. Od roku 2025 zespół współuczestniczy w budowie akceleratora Proton Improvement Plan II (PIP-II) o długości 300 m, dla którego buduje linię referencyjną dla systemów diagnostyki wiązki protonowej (ang. Beam Instrumentation Reference Line). Jest to system analogiczny do zbudowanego dla ESS, ale pracujący na innej częstotliwości i wykorzystujący autorską metodę aktywnej, dwutonowej stabilizacji dryftów fazy. Prace są już bardzo zaawansowane, zostały opracowane i przetestowane prototypy urządzeń oraz trwa ich produkcja małoseryjna. Prace potrwają jeszcze niecałe dwa lata. Współpraca przebiega bardzo sprawnie, a badacze z USA docenili polskich naukowców, działających dotychczas w europejskich ośrodkach w Niemczech i w Szwecji. Działania zespołu finansowane są ze środków zagranicznych lub z krajowego wkładu do dużych międzynarodowych projektów badawczych, albo w sposób łączony.

– W przypadku projektu PIP-II zwróciliśmy się o dofinansowanie do polskiego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i otrzymaliśmy środki, dzięki którym realizujemy część badawczą. Amerykanie natomiast finansują elementy instalacji, np. odbiorniki, kable czy elementy służące do stabilizacji temperatury linii – powiedział prof. Krzysztof Czuba.

Prof. Krzysztof Czuba, dr inż. Dominik Sikora i mgr inż. Andžej Šerlat na korytarzu Wydziału WETI PW, prezentujący prototyp linii referencyjnej zbudowanej dla ESS w Szwecji. Fot. Agnieszka Kubasik

Badania i doktoraty

Na podstawie badań i prac dla zagranicznych ośrodków powstało już kilka doktoratów i otwierane są kolejne.

– Motywujemy to tego naszych młodych kolegów, zainteresowanych pracą na wysokim poziomie, rozpoznawalną na świecie. Wiele firm jeszcze nie wie, że na uczelniach technicznych są inżynierowie, którzy już coś potrafią. Wciąż widzimy barierę pomiędzy uczelnią a przemysłem. Natomiast gdy się już zapoznamy z jego przedstawicielami na różnych spotkaniach i konferencjach, to się okazuje, że możemy się dogadać. W przemyśle działają przecież nasi wychowankowie, niektórzy zakładają firmy, jak chociażby Grzegorz Kasprowicz, współtwórca Creotech Instruments, który do tej pory jest mocno związany z Politechniką Warszawską – przypomniał dyrektor instytutu, po czym zaprosił mnie do obejrzenia realizowanych projektów.

Linia do synchronizacji akceleratora cząstek elementarnych

Na korytarzu Politechniki Warszawskiej podwieszony jest model linii referencyjnej zbudowanej dla ESS w Szwecji.

Prototyp linii referencyjnej zbudowanej dla ESS, podwieszony do sufitu na korytarzu Wydziału WETI PW. Fot. Agnieszka Kubasik

– Zbudowaliśmy prototyp w celu przetestowania sposobów montażu, instalacji, procedur podwieszania oraz podłączania przewodów. Praca przy instalacji 600 metrów linii w szwedzkim Lundzie trwała cztery lata. Było to naprawdę duże przedsięwzięcie. Nasze urządzenie składa się z linii współosiowych i sprzęgaczy kierunkowych, pracujących na dwóch częstotliwościach – 352 MHz i 704 MHz. Rozprowadza sygnały synchronizacyjne z dużą precyzją. W tym celu potrzebna jest izolacja termiczna i ogrzewanie. Cała linia w akceleratorze stabilizowana jest dokładnością do 0,1 stopnia Celsjusza, czyli dość precyzyjnie jak na taką długość. Wnętrze wypełnione jest azotem, a ciśnienie stabilizowane, żeby zminimalizować dryfty fazy sygnału oraz zmiany długości elektrycznej przewodu koncentrycznego – powiedział prof. Krzysztof Czuba.

Moduł dla systemu synchronizacji i podzespół akceleratora FLASH

Kolejnym prezentowanym urządzeniem był moduł zbudowany dla systemu sterowania i synchronizacji akceleratora FLASH działającego w ośrodku DESY w Hamburgu.

– Frequency Conversion Module to układ, który pobiera sygnał referencyjny z generatora wzorcowego i wytwarza sygnały o innych częstotliwościach. Jest to rodzaj precyzyjnego syntezera częstotliwości, który oprócz samych modułów syntezy zawiera też układy podziału mocy, wzmacniacze i bardzo skomplikowaną diagnostykę. Został zbudowany w standardzie używanym w DESY w Hamburgu – wskazał prof. Czuba.

Dr hab. inż. Krzysztof Czuba przedstawia moduł do systemu synchronizacji (Frequency Conversion Module). Fot. Agnieszka Kubasik

– Wymienne płyty cyfrowe służą do sterowania i diagnozy układów oraz wysyłania informacji na zewnątrz, do systemu sterowania akceleratorem. Podzespół dla akceleratora FLASH, czyli pasywny dziennik częstotliwości z układami diagnostycznymi, rozdziela sygnał wejściowy na osiem wyjść. Posiada mierniki mocy i mierniki odbicia sygnałów od tych wyjść. Gdyby ktoś odłączył przewód czy uszkodził kabel, to układ jest w stanie stwierdzić, że odbija się tylko część sygnału. Może poinformować operatora, gdzie należy szukać usterki. To bardzo ważne w dużych projektach, do których dostęp jest utrudniony – zaznaczył prof. Czuba.

Dr hab. inż. Krzysztof Czuba i moduł dla systemu sterowania i synchronizacji akceleratora FLASH. Fot. Agnieszka Kubasik

– Innym urządzeniem dedykowanym akceleratorom cząstek elementarnych lub ogólnie w projektach fizyki wielkich energii na świecie, jest nasz układ przemiany częstotliwości w systemie Micro TCA, w postaci modułowego systemu kaset – dodał dyrektor Instytutu.

Układ przemiany częstotliwości do zabudowy w systemie Micro TCA. Fot. Agnieszka Kubasik

System testowy łącza z dwutonową kompensacją zmian fazy – dla Amerykanów

Mgr inż. Andžej Šerlat opisał system testowy łącza z dwutonową komPIP-II, budowany dla Fermilab w Chicago. Jest to główna część systemu dystrybucji referencji fazy dla akceleratora cząstek PIP-II.

Mgr inż. Andžej Šerlat opisuje urządzenie do aktywnej kompensacji dryftu fazy wdrażany w amerykańskim Fermilab. Fot. Agnieszka Kubasik

– Używamy własnego rozwiązania, które umożliwia zdalny pomiar i kompensację dryftów fazy w linii dystrybucji sygnałów. W długich akceleratorach cząstek elementarnych dryfty są problematyczne. Dlatego, że przyspieszana w ich strukturach rezonansowych zgęstka cząstek naładowanych, musi precyzyjnie „trafić” w fazę pola przyspieszającego. W tym celu wykonuje się kalibrację fazy. Gdy sygnał sterujący propagowany jest przez linie transmisyjne, np. kablowe, ulokowane w środowisku o zmiennej temperaturze, to może pojawić się przesunięcie fazowe i akcelerator przestanie działać poprawnie. Nasz system, mierząc dryfty fazy, używa dwutonowych odbiorników sygnałów wzdłuż akceleratora i wprowadza przesunięcie fazowe do systemów sterujących. To jest nasz pomysł aktywnej kompensacji dryftu fazy, który wdrażamy u Amerykanów. Jest to rozwiązanie nowatorskie, które jeszcze nie było nigdzie wykorzystane, ale z naszych testów wynika, że działa bardzo dobrze i zostanie wdrożone w Chicago – zapewnił mgr inż. Andžej Šerlat.

Dwutonowy odbiornik sygnałów wzdłuż akceleratora, wprowadzający przesunięcie fazowe do systemów sterujących, pokazywany przez Andžeja Šerlata. Fot. Agnieszka Kubasik

– Urządzenie składa się z kilku modułów. Na płytce bazowej są nakładki, które pozwalają używać jednej platformy do różnych rozwiązań, w zależności od potrzeby i wymaganych parametrów. Są projektowane dla różnych częstotliwości, poziomów mocy, szumów itd. – dodał mgr inż. Šerlat.

Wektorowy analizator sieci do pomiarów mikrofalowych

Wspomnianą wcześniej drugą gałęzią działalności Zakładu Układów i Aparatury Mikrofalowej PW jest projektowanie sprzętu pomiarowego dla zastosowań w przemyśle i badaniach.

Obecny na spotkaniu mgr inż. Michał Kalisiak zaprosił mnie do laboratorium, które pełni funkcję klatki Faradaya, gdzie nie docierają zewnętrzne fale elektromagnetyczne. Znajduje się tam jedno z najważniejszych urządzeń, czyli wektorowy analizator sieci, umożliwiający pomiary mikrofalowe.

Mgr inż. Michał Kalisiak przedstawiający wektorowy analizator sieci. Fot. Agnieszka Kubasik

– Czterokanałowy analizator używamy do wszelkich pomiarów mikrofalowych, gdzie zależy nam na zbadaniu transmisji albo odbicia i właściwości układu elektronicznego w zakresie wielkich częstotliwości. Badamy na przykład właściwości elektryczne cieczy w głowicy podłączonej do analizatora wektorowego, który wysyła falę elektromagnetyczną. Po czym obserwuje, jak ta fala przechodzi przez próbkę i jak się od niej odbija. Na podstawie pomiarów tych fal i późniejszych obliczeń zdobywamy informacje o przenikalności, która może służyć do wielu różnych praktycznych zastosowań – oznajmił Michał Kalisiak.

Komercyjne urządzenia pomiarowe wykorzystywane w metrologii

Dr hab. inż. Arkadiusz Lewandowski kieruje zespołem inżynierów pracujących w Instytucie Meteorologii Wielkiej Częstotliwości. Od 2015 roku współpracuje z Instytutem Agrofizyki Polskiej Akademii Nauk, gdzie udało mu się znaleźć ciekawe zastosowanie dla projektowanych urządzeń pomiarowych. Wspólnie z dr Agnieszką Szydłowską z Instytutu Agrofizyki opracowali wielokanałowy system mierzenia przenikalności elektrycznej i badania własności dielektrycznych gleby. W ramach tej współpracy powstał projekt czujników wilgotności warstwy czynnej. W tym roku planowana jest jego komercjalizacja, która będzie realizowana w ramach spółki Sense Of Soil, spin-offu z Politechniki Warszawskiej.

Dr hab. inż. Arkadiusz Lewandowski prezentujący czujnik wilgotności gleby. Fot. Agnieszka Kubasik

Precyzyjne nawadnianie

Obecnie tylko 10% rolników korzysta z pomiarów wilgotności gleby. Według dr Arkadiusza Lewandowskiego, gdyby stosowali precyzyjne nawadnianie upraw, mogliby zmniejszyć zużycie wody nawet o 30-50%. Wielu z nich niechętnie jednak myśli o nowinkach technicznych, ponieważ boją się strat w uprawach. Dlatego twórcy czujnika muszą się liczyć z dłuższym czasem wdrażania urządzenia na rynek.

– Czujnik wilgotności gleby naszego zespołu Sense Of Soil to urządzenie, które ma w środku wbudowany miniaturowy wektorowy analizator obwodów. Pozwala mierzyć widmo przenikalności elektrycznej w gleby i z tego wnioskować o jej wilgotności. Jego unikalną cechą, w porównaniu do urządzeń dostępnych na rynku jest to, że jest w pełni bezprzewodowy. Możemy go zostawić na polu na cały sezon, gdzie będzie wykonywał pomiary cztery razy dziennie i wysyłał informacje z mocą protokołu LORA. Ważne jest to, że mierzy rozkład wilgotności gleby nie tylko w objętości prętów, ale również wzdłuż nich biorąc pod uwagę głębokość. Pręty mają długość 20 cm, co odpowiada potrzebom upraw owoców miękkich. W celu precyzyjnego pomiaru nawadniania gleby należy umieścić trzy czujniki na jeden elektrozawór, wzdłuż linii kroplującej. W środku zainstalowaliśmy sześciowarstwową płytkę PCB, na której udało nam się zintegrować wszystkie elementy urządzenia – powiedział dr Arkadiusz Lewandowski.

Źródło: Sense Of Soil

Kolejnym krokiem zespołu projektowego będzie wysterowanie systemu nawadniania, żeby połączyć pomiar z działaniem włączającym lub wyłączającym zawór. Jest to wyjście naprzeciw potrzebom rolnika, który jest zainteresowany przede wszystkim informacją, co należy zrobić w sytuacji zbyt małego lub zbyt dużego nawodnienia gleby.

– Naszym celem jest znalezienie partnera, który pomoże nam dostarczyć końcowy produkt rolnikom. Takiego, który na podstawie naszych czujników opracuje system sterowania nawadnianiem – wskazał dr Lewandowski.

Czego i ja zespołowi życzę, biorąc pod uwagę coraz mniejsze ilości wody pitnej na Ziemi i konieczność jej oszczędnego używania. Zapraszam też na film z wizyty w Laboratorium Zakładu Układów Mikrofalowych Instytutu Systemów Elektronicznych PW.