على مقربة من بحيرة جنيف، يُشغّل المختبر الأوروبي لفيزياء الجسيمات (سيرن) أكبر مُسرّع جسيمات في العالم: مصادم الهادرونات الكبير (LHC). يستخدم الباحثون تسريع الجسيمات لدراسة مسائل أساسية في الفيزياء، ويحاولون تحديد تركيب المادة المظلمة، على سبيل المثال. وقد أثبتوا بالفعل وجود بوزون هيغز، "الجسيم الإلهي"، الذي يُعطي جميع الجسيمات الأولية الأخرى كتلتها.
أجهزة كشف عملاقة الحجم
مسرّع الجسيمات LHC عبارة عن نفق حلقي عملاق يبلغ طوله حوالي 27 كيلومترًا، ويتخلله أربع نقاط قياس، من بينها كاشفان للأغراض العامة: أطلس وCMS. تستقر هذه الأسطوانات الضخمة، التي يزن وزنها ما يعادل وزن برج إيفل، داخل تجاويف هائلة. بالنسبة للباحثين، يمثل هذا المسرّع نافذةً على أسرار الكون.
طُوّر كاشف أطلس لاكتشاف جسيمات جديدة ناتجة عن تصادمات البروتونات وجهاً لوجه. ويساهم هذا البحث في دراسات الأبعاد الإضافية، وتوحيد القوى، والمادة المظلمة.
طُوّر كاشف CMS لدراسة الجسيمات الناتجة عن تصادمات البروتون-بروتون والأيونات الثقيلة. ويسعى الباحثون إلى إيجاد إجابات لأسئلة جوهرية مثل: "لماذا العالم على ما هو عليه؟"، "لماذا تزن بعض الجسيمات أكثر من غيرها؟"، و"ما الذي يُكوّن المادة المظلمة في الكون؟"
لاستكشاف الأسرار الخفية، يستخدم كل من أطلس وCMS قياسات دقيقة لتسجيل مسار الجسيمات المنبعثة وزخمها وطاقتها دون أخطاء. وتُغطى أجهزة الكشف بوحدات استشعار سيليكونية (تزيد مساحة كل منها عن مئة متر مربع) تسجل تصادمات الجسيمات، والتي تولد أكثر من مليار تفاعل في الثانية.
الصورة اليسرى: تستخدم أجهزة الكشف ATLAS وCMS في مختبر CERN في سويسرا قياسات دقيقة لتسجيل مسار الجزيئات المحررة وزخمها وطاقتها. يقوم كاشف CMS بدراسة الجسيمات الناتجة عن تصادمات البروتون-البروتون والأيونات الثقيلة. مصدر الصورة: CERN
الصورة اليمنى: يستخدم كاشف ATLAS لاكتشاف الجسيمات الناتجة عن الاصطدامات الأمامية للبروتونات. يساهم البحث في الدراسات حول الأبعاد الإضافية وتوحيد القوى والمادة الداكنة. مصدر الصورة: CERN
الحفاظ على البرودة
لضمان دقة القياسات وعدم تلف حساسات السيليكون بسبب الجرعة العالية من الإشعاع، يلزم توفير درجات حرارة تصل إلى -55 °م. بالإضافة إلى ذلك، تولد الإلكترونيات والمستشعرات الكثير من الحرارة التي يجب تبديدها.
خلال إغلاق طويل مخطط له في عام 2026 إلى عام 2029، ستخضع مسرعة LHC وتجاربها لترقية مهمة. أحد الأجزاء هو الاستبدال الكامل لكاشفات تتبع السيليكون.
"ستستخدم شركتي ATLAS وCMS نظام تبريد ثنائي المراحل لثاني أكسيد الكربون CO2 لجميع أجهزة تتبع السيليكون وأجهزة كشف كالوريمتر الغطاء النهائي. يمكّن النظام من نقل حرارة عالية عند درجة لزوجة منخفضة ونطاق درجة حرارة مناسب جيدًا لتشغيل جهاز الكشف"، يقول جيروم داغين، مهندس التبريد ومنسق تبريد في CMS من سبرن.
سيعتمد نظام التبريد على وحدات نمطية متوازية تقوم بتدوير ثاني أكسيد الكربون CO2 من خلال مبخرات خاصة. سيتم تجهيز كل وحدة تبريد بمضخة غشائية خاصة لتدوير ثاني أكسيد الكربون السائل.
لإدخال وسائط التبريد بدقة وأمان، يعمل CERN مرة أخرى مع خبراء المضخات من LEWA، وهي علامة تجارية من أطلس كوبكو جروب. سيتم استخدام مضخات قياس بمختلف الأحجام الغشاء من LEWA لتغذية ثاني أكسيد الكربون السائل المستخدم بدقة وبشكل مستمر في دائرة التبريد.
تخطي الحدود
تم اختبار مضخات القياس الغشائية خصيصًا لتلبية متطلبات CERN. لم يرغب كل من CERN وLEWA في ترك أي شيء للصدفة عندما يتعلق الأمر بضمان نقل وسائط التبريد المتطورة من كهوف الخدمة إلى أجهزة الكشف دون أخطاء. وقد تم بناء العديد من النماذج الأولية للإصدار المعدّل عن بُعد، والذي كان بمثابة منصات اختبار في ظروف حقيقية. تم اختبارها أولاً بالماء، ثم تم تنظيفها بالإيثانول ثم تم اختبارها في التشغيل المستمر باستخدام ثاني أكسيد الكربون CO2.
"كان من المهم تنفيذ حل قوي ومتين. كانت قائمة المتطلبات طموحة للغاية وتطلبت بعض التعديلات الخاصة للغاية"، هكذا يوضح ويلاند وولف، مدير مبيعات المنطقة في LEWA.
على سبيل المثال، تم التحقق من صحة الأختام الموجودة في الإصدار الأساسي أولاً ثم استبدالها بإصدارات أكثر ملاءمة. لمنع انطلاق الإنذارات التحذيرية الخاصة بثاني أكسيد الكربون (CO 2) عن طريق الخطأ بعد التركيب في الموقع، تم أيضًا طلاء الوحدات المحكمة بإحكام بفلورو بوليمر PTFE في النقاط الحرجة. بالإضافة إلى ذلك، تم تعديل وحدة الدفع ورأس الدفع لتوفير نقاط قياس مناسبة لأجهزة CERN.
علاوة على ذلك، يجب ألا تنخفض درجة الحرارة المرسلة في وحدة الدفع عن -20 °م. ولهذا الغرض، أضاف مهندسو LEWA خطًا تردديًا يمكن فيه تسخين الزيت الهيدروليكي، ما يمنع -55 °م CO2 من الوصول إلى وحدة الدفع.
تعتمد عملية مسرع الجسيمات LHC على درجات حرارة باردة تمكّنها مضخات قياس الغشاء من LEWA، وهي علامة تجارية من أطلس كوبكو جروب.
المنافع المتبادلة
قد حقق العمل التحضيري المكثف ثماره وبدأت شركة LEWA الآن في تسليم الدفعة الأولى من إجمالي 18 مضخة ecoflow LDG.
يتم تركيب المضخات بعيدًا عن أجهزة الكشف في كهوف الخدمة، خارج منطقة الإشعاع والمجال المغناطيسي الموجودة في الكهوف التجريبية. وهذا يسمح بالتحكم فيها من غرفة التحكم عبر ضبط الشوط الكهربائي ومحول التردد، مما يلغي الحاجة إلى وجود الموظفين في الموقع.
عند اكتمال الإغلاق الحالي، ستقوم المضخات المثبتة بتبريد الإلكترونيات وأجهزة استشعار السيليكون عبر شبكة معقدة من خطوط النقل ومجمعات التوزيع وأنابيب التبريد الصغيرة.
تجد المزيد من المعلومات على: www.lewa.com و www.atlas.cern
