Όχι μακριά από τη λίμνη της Γενεύης, το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων (CERN) λειτουργεί τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων του κόσμου: το Large Hadron Collider (LHC). Οι ερευνητές χρησιμοποιούν την επιτάχυνση σωματιδίων για να διερευνήσουν θεμελιώδη ζητήματα της φυσικής και να προσπαθήσουν να προσδιορίσουν τη σύνθεση της σκοτεινής ύλης, για παράδειγμα. Έχουν ήδη αποδείξει την ύπαρξη του μποζονίου Higgs, του «σωματιδίου του θεού», το οποίο δίνει τη μάζα του σε όλα τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια.
Ανιχνευτές υπερμεγέθους
Ο επιταχυντής σωματιδίων LHC είναι μια γιγαντιαία δακτυλιοειδής σήραγγα μήκους περίπου 27 χιλιομέτρων και εξοπλισμένη με τέσσερα σημεία μέτρησης, συμπεριλαμβανομένων δύο ανιχνευτών γενικής χρήσης: ATLAS και CMS. Οι εντυπωσιακοί κύλινδροι, που ζυγίζουν τόσο πολύ όσο ο πύργος του Άιφελ, βρίσκονται μέσα σε τεράστια σπήλαια. Για τους ερευνητές, αυτό είναι ένα παράθυρο στα μυστικά του σύμπαντος.
Ο ανιχνευτής ATLAS αναπτύχθηκε για να κάνει νέες ανακαλύψεις σωματιδίων που προκύπτουν από μετωπικές συγκρούσεις πρωτονίων. Η έρευνα συμβάλλει σε μελέτες για τις πρόσθετες διαστάσεις, την ενοποίηση των δυνάμεων και τη σκοτεινή ύλη.
Ο ανιχνευτής CMS αναπτύχθηκε για τη μελέτη σωματιδίων που παράγονται σε συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων και βαρέων ιόντων. Οι ερευνητές θέλουν να βρουν απαντήσεις σε θεμελιώδη ερωτήματα όπως: «Γιατί ο κόσμος είναι όπως είναι;».", «Γιατί ορισμένα σωματίδια ζυγίζουν περισσότερο από άλλα;» και «Τι αποτελεί τη σκοτεινή ύλη στο σύμπαν;»
Για να εξερευνήσουν τα κρυμμένα μυστικά, το ATLAS και το CMS χρησιμοποιούν μετρήσεις ακριβείας για να καταγράψουν τη διαδρομή, την ορμή και την ενέργεια των απελευθερωμένων σωματιδίων χωρίς σφάλματα. Οι ανιχνευτές καλύπτονται από μονάδες αισθητήρων πυριτίου (πάνω από εκατό τετραγωνικά μέτρα το καθένα) που καταγράφουν τις συγκρούσεις σωματιδίων, οι οποίες παράγουν πάνω από ένα δισεκατομμύριο αλληλεπιδράσεις ανά δευτερόλεπτο.
Αριστερή εικόνα: Οι ανιχνευτές ATLAS και CMS στο εργαστήριο του CERN στην Ελβετία χρησιμοποιούν μετρήσεις ακριβείας για την καταγραφή της διαδρομής, της δυναμικής και της ενέργειας των απελευθερωμένων σωματιδίων. Ο ανιχνευτής CMS μελετά τα σωματίδια που παράγονται σε συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων και βαρέων ιόντων. Φωτογραφία: CERN
Δεξιά εικόνα: Ο ανιχνευτής ATLAS χρησιμοποιείται για την ανακάλυψη σωματιδίων που προκύπτουν από μετωπικές συγκρούσεις πρωτονίων. Η έρευνα συμβάλλει σε μελέτες για τις πρόσθετες διαστάσεις, την ενοποίηση των δυνάμεων και τη σκοτεινή ύλη. Φωτογραφία: CERN
Διατήρηση της ψύξης
Για να διασφαλιστεί η ακρίβεια των μετρήσεων και να μην υποστούν ζημιά οι αισθητήρες σιλικόνης από την υψηλή δόση ακτινοβολίας, απαιτούνται θερμοκρασίες έως -55 °C. Επιπλέον, το ηλεκτρονικό σύστημα και οι αισθητήρες παράγουν πολλή θερμότητα, η οποία πρέπει να απομακρυνθεί.
Κατά τη διάρκεια μιας προγραμματισμένης παρατεταμένης διακοπής λειτουργίας το 2026 έως το 2029, ο επιταχυντής LHC και τα πειράματά του θα υποβληθούν σε σημαντική αναβάθμιση. Ένα μέρος είναι η πλήρης αντικατάσταση των ανιχνευτών ανίχνευσης σιλικόνης.
«Η ATLAS και η CMS θα χρησιμοποιούν ένα διφασικό σύστημα ψύξης CO2 για όλους τους ανιχνευτές πυριτίου και τους ανιχνευτές θερμομέτρων τελικού καπακιού. Το σύστημα επιτρέπει υψηλή μεταφορά θερμότητας σε χαμηλό ιξώδες και εύρος θερμοκρασίας που είναι κατάλληλο για τη λειτουργία του ανιχνευτή», λέει ο Cooling Engineer και CMS Coordinator Jérôme Daguin από το CERN.
Το σύστημα ψύξης θα βασίζεται σε παράλληλες αρθρωτές μονάδες που κυκλοφορούν το CO2 μέσω ειδικών εξατμιστήρων. Κάθε μονάδα ψύξης θα είναι εξοπλισμένη με μια ειδική αντλία με διάφραγμα για την κυκλοφορία του υγρού CO2.
Για την ακριβή και ασφαλή εισαγωγή του ψυκτικού μέσου, το CERN συνεργάζεται και πάλι με τους ειδικούς στις αντλίες της LEWA, μιας εταιρείας του Ομίλου Atlas Copco. Για την ακριβή και συνεχή τροφοδοσία του χρησιμοποιούμενου υγρού CO2 στο κύκλωμα ψύξης χρησιμοποιούνται δοσομετρικές αντλίες με διάφραγμα LEWA διαφόρων μεγεθών.
Ωθούμε τα όρια
Οι δοσομετρικές αντλίες με διάφραγμα ελέγχθηκαν ειδικά για τις απαιτήσεις του CERN. Τόσο το CERN όσο και η LEWA δεν ήθελαν να αφήσουν τίποτα στην τύχη όταν πρόκειται να διασφαλίσουν ότι η μεταφορά του εξελιγμένου ψυκτικού μέσου από τα σπήλαια σέρβις στους ανιχνευτές θα γινόταν χωρίς σφάλματα. Για την προσαρμοσμένη απομακρυσμένη έκδοση κατασκευάστηκαν αρκετά πρωτότυπα, τα οποία λειτουργούσαν ως δοκιμαστήρια υπό πραγματικές συνθήκες. Δοκιμάστηκαν πρώτα με νερό, στη συνέχεια καθαρίστηκαν με αιθανόλη και στη συνέχεια δοκιμάστηκαν σε συνεχή λειτουργία με CO2.
«Ήταν σημαντικό να εφαρμοστεί μια στιβαρή, ανθεκτική λύση. Ο κατάλογος απαιτήσεων ήταν αρκετά φιλόδοξος και απαιτούσε κάποιες πολύ ιδιαίτερες προσαρμογές», εξηγεί ο Wieland Wolff, Area Sales Manager της LEWA.
Για παράδειγμα, οι υπάρχουσες στεγανοποιήσεις της βασικής έκδοσης επικυρώθηκαν πρώτα και στη συνέχεια αντικαταστάθηκαν από πιο κατάλληλες εκδόσεις. Για να αποτραπεί η ακούσια ενεργοποίηση των προειδοποιητικών συναγερμών CO2 μετά την επιτόπια εγκατάσταση, οι αεροστεγείς μονάδες επικαλύφθηκαν επίσης με το φθοροπολυμερές PTFE σε κρίσιμα σημεία. Επιπλέον, η μονάδα μετάδοσης κίνησης και η κεφαλή μετάδοσης κίνησης τροποποιήθηκαν ώστε να παρέχουν κατάλληλα σημεία μέτρησης για τα όργανα του CERN.
Επιπλέον, η προωθούμενη θερμοκρασία στη μονάδα μετάδοσης κίνησης δεν πρέπει να πέσει κάτω από τους -20 °C. Για τον σκοπό αυτό, οι μηχανικοί της LEWA προστέθηκαν ένας παλινδρομικός σωλήνας, στον οποίο το υδραυλικό λάδι μπορεί να θερμανθεί, αποτρέποντας την εισχώρηση του -55 °C CO2 στη μονάδα μετάδοσης κίνησης.
Η διαδικασία επιταχυντή σωματιδίων LHC βασίζεται σε ψυχρές θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται από τις δοσομετρικές αντλίες με διάφραγμα της LEWA, μιας μάρκας του Ομίλου Atlas Copco.
Αμοιβαία οφέλη
Οι εκτεταμένες προπαρασκευαστικές εργασίες ανταμείφθηκαν και η LEWA ξεκίνησε τώρα την παράδοση της πρώτης παρτίδας συνολικά 18 αντλιών ecoflow LDG.
Οι αντλίες εγκαθίστανται μακριά από τους ανιχνευτές στα σπήλαια σέρβις, εκτός της περιοχής ακτινοβολίας και μαγνητικού πεδίου που βρίσκονται στα πειραματικά σπήλαια. Αυτό επιτρέπει τον έλεγχο από την αίθουσα ελέγχου μέσω ηλεκτρικής ρύθμισης διαδρομής και μετατροπέα συχνότητας, εξαλείφοντας την ανάγκη παρουσίας εργαζομένων στο εργοτάξιο.
Όταν ολοκληρωθεί η τρέχουσα διακοπή λειτουργίας, οι εγκατεστημένες αντλίες θα ψύξουν τα ηλεκτρονικά και τους αισθητήρες πυριτίου μέσω ενός σύνθετου δικτύου γραμμών μεταφοράς, συλλεκτών διανομής και μικρών σωλήνων ψύξης.
Περισσότερες πληροφορίες θα βρείτε στη διεύθυνση: www.lewa.com και www.atlas.cern
