Nedaleko Ženevského jezera provozuje Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) největší urychlovač částic na světě – Velký hadronový urychlovač (LHC). Výzkumníci zde pomocí urychlování částic zkoumají základní otázky fyziky a snaží se mimo jiné odhalit složení temné hmoty. Právě zde byla také potvrzena existence Higgsova bosonu, takzvané „božské částice“, která dává ostatním elementárním částicím jejich hmotnost.
Super velké detektory
Urychlovač částic LHC tvoří obrovský kruhový tunel o délce přibližně 27 kilometrů, ve kterém se nacházejí čtyři měřicí body – včetně dvou univerzálních detektorů: ATLAS a CMS. Tyto impozantní válce, které váží stejně jako Eiffelova věž, jsou umístěny v rozlehlých podzemních halách. Pro vědce představují okno do tajemství vesmíru.
Detektor ATLAS byl navržen pro objevování nových částic vznikajících při čelních srážkách protonů. Výsledky výzkumu přispívají ke studiu dalších dimenzí, sjednocení základních sil a temné hmoty.
Detektor CMS byl navržen ke studiu částic vznikajících při srážkách protonů a těžkých iontů. Vědci s jeho pomocí hledají odpovědi na zásadní otázky jako: „Proč je svět takový, jaký je?“, „Proč některé částice váží víc než jiné?“ nebo „Z čeho se skládá temná hmota ve vesmíru?“
Při zkoumání skrytých tajemství používají systémy ATLAS a CMS přesná měření k zaznamenání cesty, momentu a energie uvolněných částic bez chyb. Detektory jsou pokryty křemíkovými senzorovými moduly (každý o rozloze více než sto metrů čtverečních), které zaznamenávají kolize částic, které generují více než miliardu interakcí za sekundu.
Obrázek vlevo: Detektory ATLAS a CMS v laboratoři CERN ve Švýcarsku využívají vysoce přesná měření k záznamu dráhy, hybnosti a energie uvolněných částic. Detektor CMS se zaměřuje na částice vznikající při srážkách protonů a těžkých iontů. Zdroj CERN
Obrázek vpravo: Detektor ATLAS slouží k objevování částic vznikajících při čelních srážkách protonů. Tento výzkum přispívá ke studiu dalších dimenzí, sjednocení fyzikálních sil a složení temné hmoty. Zdroj CERN
Chlazení, které pohání vědu
Aby bylo zajištěno přesné měření a zároveň nedošlo k poškození silikonových senzorů vysokými dávkami záření, je nutné udržovat teplotu až -55 °C. Elektronika a senzory navíc během provozu generují velké množství tepla, které je třeba účinně odvádět.
Během plánované odstávky v letech 2026 až 2029 projde urychlovač LHC a jeho experimenty významnou modernizací. Jednou z klíčových změn bude kompletní výměna silikonových detektorů pro sledování částic.
„ATLAS a CMS budou pro všechny své silikonové trackery a detektory v oblasti endcap využívat dvoufázový chladicí systém na bázi CO2.Tento systém umožňuje vysoký přenos tepla při nízké viskozitě a nabízí teplotní rozsah, který je ideální pro provoz detektorů,“ říká Jérôme Daguin, odborník na chladicí systémy a koordinátor chlazení CMS v CERNu.
Chladicí systém bude založen na paralelních modulárních jednotkách, které budou cirkulovat CO2 prostřednictvím speciálních výparníků. Každý chladicí modul bude vybaven speciálním membránovým čerpadlem pro cirkulaci kapalného CO2.
Aby bylo možné přesně a bezpečně zavést chladicí médium, CERN opět spolupracuje s odborníky na čerpadla ze společnosti LEWA, značky v rámci Atlas Copco Group. Membránová dávkovací čerpadla LEWA různých velikostí budou sloužit k přesnému a nepřetržitému dávkování kapalného CO2 používaného v chladicím okruhu.
Posouváme hranice
Membránová dávkovací čerpadla byla testována speciálně podle požadavků CERNu. Ani CERN, ani společnost LEWA nechtěli ponechat nic náhodě, pokud jde o spolehlivý transport sofistikovaného chladicího média ze servisních šachet k detektorům. Pro upravenou dálkově ovládanou verzi bylo postaveno několik prototypů, které sloužily jako testovací stanice v reálných podmínkách. Nejprve byly testovány s vodou, poté vyčištěny ethanolem a následně podrobeny nepřetržitému provozu s CO2.
„Bylo důležité navrhnout odolné a dlouhodobě spolehlivé řešení. Seznam požadavků byl poměrně ambiciózní a vyžadoval několik velmi specifických úprav,“ vysvětluje Wieland Wolff, regionální obchodní manažer společnosti LEWA.
Například stávající těsnění základní verze byla nejprve otestována a poté nahrazena vhodnějšími variantami. Aby po instalaci přímo na místě nedocházelo k planým poplachům CO2 senzorů, byly hermeticky utěsněné jednotky v kritických místech navíc potaženy fluoropolymerem PTFE. Dále byly upraveny pohonná jednotka i hlava čerpadla tak, aby poskytovaly vhodná měřicí místa pro přístroje CERNu.
Dále bylo nutné zajistit, aby teplota v oblasti pohonné jednotky neklesla pod -20 °C. Inženýři ze společnosti LEWA proto přidali cirkulační vedení, ve kterém se může ohřívat hydraulický olej. Tím se zabrání tomu, aby extrémně chladný CO2 dostalo do hnací jednotky.o teplotě -55 °C pronikl až k pohonné jednotce.
Oboustranně výhodné partnerství
Důkladná příprava se vyplatila a společnost LEWA nyní zahájila dodávku první série z celkového počtu 18 čerpadel ecoflow LDG.
Čerpadla jsou instalována mimo detektory, v servisních šachtách mimo dosah záření a magnetických polí, která se nacházejí v experimentálních halách. Díky tomu je možné je ovládat z řídicí místnosti pomocí elektrického nastavení zdvihu a frekvenčního měniče – bez nutnosti přítomnosti pracovníků přímo na místě.
Po dokončení současné odstávky budou nainstalovaná čerpadla ochlazovat elektroniku a silikonové senzory prostřednictvím komplexní sítě přívodních vedení, rozdělovačů a tenkých chladicích trubic.
Další informace naleznete na: www.lewa.com a www.atlas.cern
