Nicht weit vom Genfer See entfernt betreibt das European Laboratory for Particle Physics (CERN) den weltweit größten Partikelbeschleuniger: den Large Hadron Collider (LHC). Forscherinnen und Forscher nutzen Partikelbeschleunigung, um grundlegende physikalische Fragen zu untersuchen und beispielsweise die Zusammensetzung dunkler Materie zu bestimmen. Sie haben bereits die Existenz des Higgs-Bosons, des „Gutpartikels“, bewiesen, das allen anderen Elementarpartikeln ihre Masse verleiht.
Detektoren im Großformat
Der LHC-Partikelbeschleuniger ist ein riesiger, etwa 27 Kilometer langer Ringtunnel mit vier Messpunkten, darunter zwei Allzweckdetektoren: ATLAS und CMS. Die beeindruckenden Zylinder, die so schwer wie der Eiffelturm sind, ruhen in riesigen Kavernen. Für die Forscherinnen und Forscher ist dies ein Fenster zu den Geheimnissen des Universums.
Der ATLAS-Detektor wurde entwickelt, um neue Partikelentdeckungen zu machen, die sich aus Frontalkollisionen von Protonen ergeben. Die Forschung trägt zu Studien über zusätzliche Dimensionen, Kräftebündelung und dunkle Materie bei.
Der CMS-Detektor wurde entwickelt, um Partikel zu untersuchen, die bei Protonen-Protonen- und Schwerionenkollisionen entstehen. Die Forscherinnen und Forscher wollen Antworten auf grundlegende Fragen wie: "Warum ist die Welt so, wie sie ist?", „Warum wiegen einige Partikel mehr als andere?“ und „Was macht die dunkle Materie im Universum aus?“
Um die verborgenen Geheimnisse zu erforschen, verwenden ATLAS und CMS Präzisionsmessungen, um den Weg, die Dynamik und die Energie der freigesetzten Partikel fehlerfrei zu erfassen. Die Detektoren sind mit Silizium-Sensormodulen (jeweils über hundert Quadratmeter) abgedeckt, die die Partikelkollisionen aufzeichnen, die über eine Milliarde Interaktionen pro Sekunde generieren.
Linkes Bild: Die ATLAS- und CMS-Detektoren im CERN-Labor in der Schweiz erfassen mittels Präzisionsmessungen den Weg, die Schwungkraft und die Energie der freigesetzten Partikel. Der CMS-Detektor untersucht Partikel, die bei Protonen-Protonen- und Schwerionenkollisionen entstehen. Bildnachweis: CERN
Rechtes Bild: Der ATLAS-Detektor wird verwendet, um Partikel zu entdecken, die sich aus Frontalkollisionen von Protonen ergeben. Die Forschung trägt zu Studien über zusätzliche Dimensionen, Kräftebündelung und dunkle Materie bei. Bildnachweis: CERN
Für kühle Bedingungen sorgen
Damit die Messungen genau sind und die Siliziumsensoren nicht durch die hohe Strahlungsdosis beschädigt werden, sind Temperaturen bis -55 °C erforderlich. Auch die Elektronik und die Sensoren erzeugen viel Wärme, die abgeführt werden muss.
Während einer geplanten langen Stilllegung in den Jahren 2026 bis 2029 werden der LHC-Beschleuniger und seine Experimente einem wichtigen Upgrade unterzogen. Ein Teil ist der komplette Austausch der Silizium-Tracking-Detektoren.
"ATLAS und CMS werden für alle ihre Silizium-Tracker und Endkappen-Kalorimeterdetektoren ein zweiphasiges CO2 -Kühlsystem verwenden. Das System ermöglicht eine hohe Wärmeübertragung bei niedriger Viskosität und einem Temperaturbereich, der für den Betrieb des Detektors gut geeignet ist", sagt Jérôme Daguin, Kühltechniker und CMS-Kühlungskoordinator bei CERN.
Das Kühlsystem basiert auf parallelen modularen Einheiten, die CO2 durch spezielle Verdampfer zirkulieren. Jedes Kühlmodul wird mit einer speziellen Membranpumpe zur Zirkulation des flüssigen CO2 ausgerüstet.
Um das Kühlmittel präzise und sicher einzuführen, arbeitet das CERN erneut mit den Pumpenexperten von LEWA, einer Marke innerhalb der Atlas Copco Group, zusammen. LEWA Membrandosierpumpen unterschiedlicher Größe werden eingesetzt, um das eingesetzte flüssige CO2 präzise und konstant in den Kühlkreislauf zu fördern.
Über das Bekannte hinausgehen
Die Membrandosierpumpen wurden speziell für die Anforderungen des CERN getestet. Weder CERN noch LEWA wollten etwas dem Zufall überlassen, wenn es darum ging, den fehlerfreien Transport des ausgeklügelten Kühlmediums von den Servicehöhlen zu den Detektoren sicherzustellen. Für die angepasste Remote-Version wurden mehrere Prototypen gebaut, die als Prüfstände unter realen Bedingungen fungierten. Sie wurden zunächst mit Wasser getestet, dann mit Ethanol gereinigt und anschließend im Dauerbetrieb mit CO2 getestet.
"Es war wichtig, eine robuste, langlebige Lösung zu implementieren. Die Anforderungsliste war ehrgeizig und erforderte ganz besondere Anpassungen", erklärt Wieland Wolff, Area Sales Manager bei LEWA.
Beispielsweise wurden die vorhandenen Dichtungen der Basisversion zunächst validiert und dann durch geeignetere Versionen ersetzt. Um zu verhindern, dass die CO2 -Warnalarme nach der Installation vor Ort versehentlich ausgelöst werden, wurden die hermetisch dichten Einheiten an kritischen Stellen zusätzlich mit dem Fluorpolymer PTFE beschichtet. Darüber hinaus wurden die Antriebseinheit und der Antriebskopf modifiziert, um geeignete Messpunkte für die Instrumente des CERN bereitzustellen.
Weiterhin darf die Vorlauftemperatur am Antrieb nicht unter -20 °C abfallen. Dazu haben die Ingenieurinnen und Ingenieure von LEWA eine Kolbenleitung eingebaut, in der sich das Hydrauliköl erwärmen kann, wodurch das -55 °C CO2 nicht in den Antrieb gelangen kann.
Der LHC-Partikelbeschleunigerprozess ist auf kühle Temperaturen angewiesen, die von Membrandosierpumpen von LEWA, einer Marke der Atlas Copco Group, ermöglicht werden.
Win-win-Situation
Die umfangreichen Vorbereitungsarbeiten haben sich gelohnt und LEWA hat mittlerweile mit der Auslieferung der ersten Charge von insgesamt 18 ecoflow LDG-Pumpen begonnen.
Die Pumpen werden von den Detektoren in den Service-Kavernen entfernt installiert, außerhalb des Strahlungs- und Magnetfeldbereichs, der in den Versuchskavernen vorkommt. Dadurch können sie über eine elektrische Hubverstellung und einen Frequenzumrichter vom Kontrollraum aus gesteuert werden, sodass Mitarbeitende nicht vor Ort sein müssen.
Nach Abschluss der aktuellen Abschaltung werden die installierten Pumpen die Elektronik und die Siliziumsensoren über ein komplexes Netzwerk von Übertragungsleitungen, Verteilerkollektoren und kleinen Kühlrohren kühlen.
Weitere Informationen findest du unter: www.lewa.com und www.atlas.cern
