Nedaleko Ženevské jezero provozuje Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) největší urychlovač částic na světě – Velký hadronový urychlovač (LHC - The Large Hadron Collider). Vědci zde pomocí urychlování částic zkoumají základní otázky fyziky a například se snaží určit složení temné hmoty. Již se jim také podařilo prokázat existenci Higgsova bosonu, takzvané „Božské částice“, která dává ostatním elementárním částicím jejich hmotnost.
Super obrovské detektory
Urychlovač částic LHC je gigantický kruhový tunel o délce přibližně 27 kilometrů, osazený čtyřmi měřicími místy, včetně dvou univerzálních detektorů: ATLAS a CMS. Tyto impozantní válcové konstrukce, vážící zhruba stejně jako Eiffelova věž, jsou umístěny v obrovských podzemních prostorech. Pro vědce představují okno do tajemství vesmíru.
Detektor ATLAS byl vyvinut s cílem umožnit objevování nových částic vznikajících při čelních srážkách protonů. Tento výzkum přispívá ke studiu dodatečných rozměrů, sjednocení základních sil a temné hmoty.
Detektor CMS byl vyvinut ke studiu částic vznikajících při srážkách proton–proton a těžkých iontů. Vědci se snaží najít odpovědi na základní otázky, jako například: „Proč je svět takový, jaký je?“, „Proč mají některé částice větší hmotnost než jiné?“ a „Z čeho se skládá temná hmota ve vesmíru?“.
Aby bylo možné odhalit skrytá tajemství, využívají detektory ATLAS a CMS vysoce přesná měření k bezchybnému zaznamenání dráhy, hybnosti a energie uvolněných částic. Detektory jsou pokryty křemíkovými senzorovými moduly (každý o ploše přes sto metrů čtverečních), které zaznamenávají srážky částic – ty generují více než miliardu interakcí za sekundu.
Obrázek vlevo: Detektory ATLAS a CMS ve švýcarské laboratoři CERN používají přesná měření k zaznamenání dráhy, momentu a energie uvolněných částic. Detektor CMS zkoumá částice vznikající při kolizích proton-proton a těžkých iontů. Autor obrázku: CERN
Pravý obrázek: Detektor ATLAS se používá k detekci částic vzniklých čelními kolizemi protonů. Výzkum přispívá ke studiím dalších rozměrů, sjednocování sil a tmavé hmoty. Autor obrázku: CERN
Udržováno v chladu
Aby bylo zajištěno, že měření budou přesná a že křemíkové senzory nebudou poškozeny vysokými dávkami radiace, jsou zapotřebí teploty až −55 °C. Elektronika a senzory zároveň generují velké množství tepla, které je nutné účinně odvádět.
Během plánované dlouhé odstávky v letech 2026–2029 projde urychlovač Large Hadron Collider (LHC) i jeho experimenty významnou modernizací. Jednou z jejích částí je kompletní výměna křemíkových stopovacích detektorů.
„Detektory ATLAS a CMS budou pro všechny své křemíkové stopovací detektory a koncové kalorimetry využívat dvoufázový chladicí systém na bázi CO2. Tento systém umožňuje vysoký přenos tepla při nízké viskozitě a v teplotním rozsahu, který je velmi vhodný pro provoz detektoru,“ říká Jérôme Daguin, Cooling Engineer and CMS Cooling Coordinator 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 použita k přesnému a konstantnímu přívodu kapalného CO2 používaného v chladicím okruhu.
Posouváme hranice
Membránová dávkovací čerpadla byla testována speciálně podle požadavků CERN. Ani CERN, ani společnost LEWA nechtěly ponechat nic náhodě, pokud jde o bezchybnou dopravu tohoto sofistikovaného chladicího média ze servisních prostor k detektorům. Pro upravenou vzdálenou verzi bylo vyrobeno několik prototypů, které sloužily jako testovací zařízení v reálných podmínkách. Nejprve byly testovány s vodou, poté vyčištěny ethanolem a následně testovány v nepřetržitém provozu s CO2.
„Bylo důležité realizovat robustní a odolné řešení. Seznam požadavků byl poměrně ambiciózní a vyžadoval některé velmi specifické úpravy,“ vysvětluje Wieland Wolff, Area Sales Manager společnosti LEWA.
Například stávající těsnění základní verze byla nejprve ověřena a následně nahrazena vhodnějšími variantami. Aby po instalaci na místě nedocházelo k nechtěnému spouštění výstražných alarmů CO2, byly hermeticky těsné jednotky v kritických místech opatřeny povlakem z fluoropolymeru PTFE. Kromě toho byly upraveny hnací jednotka a hnací hlava tak, aby poskytovaly odpovídající měřicí body pro přístroje CERN.
Kromě toho nesmí teplota přiváděná k hnací jednotce klesnout pod −20 °C. Z tohoto důvodu inženýři společnosti LEWA doplnili vratné (recirkulační) potrubí, ve kterém se může hydraulický olej ohřívat, čímž se zabrání tomu, aby CO2 o teplotě −55 °C dosáhl hnací jednotky.
Proces urychlovače částic LHC je závislý na nízkých teplotách, které umožňují membránová dávkovací čerpadla společnosti LEWA, značky patřící do Atlas Copco Group.
Vzájemné přínosy
Rozsáhlá přípravná práce se vyplatila a společnost LEWA nyní zahájila dodávky první série z celkového počtu 18 čerpadel ecoflow LDG.
Čerpadla jsou instalována mimo samotné detektory, v servisních prostorách, tedy mimo oblast radiace a magnetického pole nacházející se v experimentálních kavernách. Díky tomu mohou být ovládána z velína prostřednictvím elektrického nastavení zdvihu a frekvenčního měniče, aniž by byla nutná přítomnost pracovníků přímo na místě.
Po dokončení současné odstávky budou instalovaná čerpadla chladit elektroniku a křemíkové senzory prostřednictvím složité sítě přenosových potrubí, distribučních kolektorů a drobných chladicích trubek.
Další informace naleznete na: www.lewa.com a www.atlas.cern
