Ikke langt fra Genevesøen driver European Laboratory for Particle Physics (CERN) verdens største partikelaccelerator: The Large Hadron Collider (LHC). Forskere bruger partikelacceleration til at undersøge grundlæggende fysikspørgsmål og forsøger f.eks. at bestemme sammensætningen af mørkt stof. De har allerede bevist eksistensen af Higgs boson, den "Guds partikel", der giver alle andre elementære partikler deres masse.
Ekstra store detektorer
LHC-partikelacceleratoren er en gigantisk ringtunnel, der er ca. 27 kilometer lang og pebret med fire målepunkter, herunder to universaldetektorer: ATLAS og CMS. De imponerende cylindre, der vejer lige så meget som Eiffeltårnet, hviler inde i enorme huler. For forskerne er det et vindue til universets hemmeligheder.
ATLAS-detektoren blev udviklet til at foretage nye partikelopdagelser som følge af frontale kollisioner med protoner. Forskningen bidrager til undersøgelser af ekstra dimensioner, forening af kræfter og mørkt stof.
CMS-detektoren er udviklet til at undersøge partikler, der produceres i proton-proton- og tungion-kollisioner. Forskerne vil finde svar på grundlæggende spørgsmål som: "Hvorfor er verden, som den er?".", "Hvorfor vejer nogle partikler mere end andre?" og "Hvad er det mørke stof i universet?"
For at udforske de skjulte hemmeligheder bruger ATLAS og CMS præcisionsmålinger til at registrere de frigivne partiklers bane, momentum og energi uden fejl. Detektorerne er dækket af siliciumsensormoduler (over hundrede kvadratmeter hver), der registrerer partikelkollisionerne, som genererer over en milliard interaktioner i sekundet.
Venstre billede: ATLAS- og CMS-detektorerne på CERN-laboratoriet i Schweiz bruger præcisionsmålinger til at registrere de frigivne partiklers bane, momentum og energi. CMS-detektoren undersøger partikler, der dannes ved proton-proton- og tungion-kollisioner. Billedkilde: CERN
Højre billede: ATLAS-detektoren bruges til at opdage partikler som følge af frontale kollisioner med protoner. Forskningen bidrager til undersøgelser af ekstra dimensioner, forening af kræfter og mørkt stof. Billedkilde: CERN
Hold det koldt
For at sikre, at målingerne er præcise, og at siliciumsensorerne ikke beskadiges af den høje strålingsdosis, kræves temperaturer helt ned til -55 °C. Elektronikken og sensorerne genererer også en masse varme, som skal afledes.
Under en planlagt lang nedlukning i 2026-2029 vil LHC-acceleratoren og dens forsøg gennemgå en vigtig opgradering. Den ene del er den komplette udskiftning af siliciumsporingsdetektorerne.
"ATLAS og CMS vil bruge et tofaset CO2 -kølesystem til alle deres siliciumsporere og endcap-kalorimeterdetektorer. Systemet muliggør høj varmeoverførsel ved lav viskositet og et temperaturområde, der er velegnet til drift af detektoren," siger Cooling Engineer og CMS Cooling Coordinator Jérôme Daguin fra CERN.
Kølesystemet vil være baseret på parallelle modulenheder, der cirkulerer CO2 gennem specielle fordampere. Hvert kølemodul vil blive udstyret med en speciel membranpumpe til at cirkulere den flydende CO2.
For at introducere kølemidlet præcist og sikkert samarbejder CERN igen med pumpeeksperterne fra LEWA, et mærke inden for Atlas Copco-koncernen. LEWA membrandoseringspumper i forskellige størrelser anvendes til præcis og konstant tilførsel af den anvendte flydende CO2 i kølekredsløbet.
Flytter grænser
Membrandoseringspumperne er testet specifikt til CERN’s krav. Hverken CERN eller LEWA ønskede at overlade noget til tilfældighederne, når det gik om at sikre, at transporten af det avancerede kølemiddel fra servicekavernerne til detektorerne foregik fejlfrit. Der blev bygget flere prototyper til den tilpassede fjernversion, som fungerede som testbænke under virkelige forhold. De blev først testet med vand, derefter renset med ethanol og derefter testet i kontinuerlig drift med CO2.
"Det var vigtigt at implementere en robust og holdbar løsning. Listen over krav var ret ambitiøs og krævede nogle helt særlige tilpasninger," forklarer Wieland Wolff, Area Sales Manager hos LEWA.
For eksempel blev de eksisterende tætninger i basisversionen først valideret og derefter udskiftet med mere egnede versioner. For at forhindre, at CO2 -advarselsalarmerne udløses utilsigtet efter installation på stedet, blev de hermetisk lukkede enheder også belagt med fluorpolymeren PTFE på kritiske steder. Derudover blev drivenheden og drivhovedet ændret for at give passende målepunkter til CERN’s instrumenter.
Desuden må fremløbstemperaturen ved drevenheden ikke falde til under -20 °C. Til dette formål har LEWA-ingeniørerne tilføjet en stempelledning, hvori hydraulikolien kan opvarmes, så den -55 °C varme CO2 ikke når frem til drevenheden.
LHC-partikelacceleratorprocessen er afhængig af kolde temperaturer, der muliggøres af membrandoseringspumper fra LEWA, et mærke inden for Atlas Copco-koncernen.
Gensidige fordele
Det omfattende forberedelsesarbejde har lønnet sig, og LEWA er nu begyndt at levere det første parti af i alt 18 ecoflow LDG-pumper.
Pumperne er installeret væk fra detektorerne i servicekavernerne, uden for det strålings- og magnetfeltområde, der findes i forsøgskavernerne. Dette gør det muligt at styre dem fra kontrolrummet via elektrisk slaglængdejustering og en frekvensomformer, hvilket eliminerer behovet for, at medarbejdere er på stedet.
Når den aktuelle nedlukning er afsluttet, vil de installerede pumper køle elektronikken og siliciumsensorerne via et komplekst netværk af overførselsledninger, distributionskollektorer og små kølerør.
Yderligere oplysninger findes på: www.lewa.com og www.atlas.cern
