Non lontano dal lago di Ginevra, il CERN (European Laboratory for Particle Physics) gestisce il più grande acceleratore di particelle al mondo: il Large Hadron Collider (LHC). I ricercatori utilizzano l'accelerazione delle particelle per indagare su questioni fisiche fondamentali e cercare di determinare, ad esempio, la composizione della materia oscura. Hanno già dimostrato l'esistenza del bosone di Higgs, la "particella di Dio", che conferisce a tutte le altre particelle elementari la loro massa.
Rivelatori di grandi dimensioni
L'acceleratore di particelle LHC è un gigantesco tunnel anulare lungo circa 27 chilometri con quattro punti di misurazione, tra cui due rilevatori universali: ATLAS e CMS. Gli impressionanti cilindri, che pesano quanto la Torre Eiffel, si trovano all'interno di enormi caverne. Per i ricercatori, questa è una finestra sui segreti dell'universo.
Il rilevatore ATLAS è stato sviluppato per fare nuove scoperte sulle particelle derivanti da collisioni frontali di protoni. La ricerca contribuisce a studi sulle dimensioni extra, sull'unificazione delle forze e sulla materia oscura.
Il rilevatore CMS è stato sviluppato per studiare le particelle prodotte in collisioni protone-protone e ioni pesanti. I ricercatori vogliono trovare risposte a domande fondamentali come: "Perché il mondo è così com'è?", "Perché alcune particelle pesano di più di altre?" e "Che cosa costituisce la materia oscura nell'universo?"
Per esplorare i segreti nascosti, l'ATLAS e il CMS utilizzano misure di precisione per registrare il percorso, lo slancio e l'energia delle particelle rilasciate. I rilevatori sono coperti da moduli sensori in silicio (oltre cento metri quadrati ciascuno) che registrano le collisioni di particelle, le quali generano oltre un miliardo di interazioni al secondo.
Immagine a sinistra: I rilevatori ATLAS e CMS del laboratorio CERN in Svizzera utilizzano misure di precisione per registrare il percorso, lo slancio e l'energia delle particelle rilasciate. Il rilevatore CMS studia le particelle prodotte nelle collisioni protone-protone e negli ioni pesanti. Crediti immagine: CERN
Immagine a destra: il rilevatore ATLAS viene utilizzato per effettuare scoperte di particelle derivanti da collisioni frontali di protoni. La ricerca contribuisce a studi sulle dimensioni extra, sull'unificazione delle forze e sulla materia oscura. Crediti immagine: CERN
Raffreddamento
Per garantire che le misurazioni siano precise e che i sensori in silicio non vengano danneggiati dall'elevata dose di radiazioni, sono necessarie temperature fino a -55 °C. Anche l'elettronica e i sensori generano molto calore che deve essere dissipato.
Durante un lungo periodo di fermo pianificato nel 2026-2029, l'acceleratore LHC e i suoi esperimenti saranno sottoposti a un importante aggiornamento. Una parte di questo consiste nella sostituzione completa dei rilevatori di tracciamento in silicio.
"ATLAS e CMS utilizzeranno un sistema di raffreddamento a CO2 bifase per tutti i loro tracker al silicio e i rilevatori con calorimetro terminale. Il sistema consente un elevato trasferimento di calore a bassa viscosità e un intervallo di temperatura che è adatto per il funzionamento del rivelatore", afferma Jérôme Daguin, Cooling Engineer e CMS Cooling Coordinator del CERN.
L'impianto di refrigerazione si baserà su unità modulari parallele che fanno circolare la CO2 attraverso speciali evaporatori. Ogni modulo di raffreddamento sarà dotato di una pompa a membrana speciale per far circolare la CO2 liquida.
Per introdurre il refrigerante in modo preciso e sicuro, il CERN sta lavorando ancora una volta con gli esperti di pompaggio di LEWA, un marchio di Atlas Copco Group. Le pompe dosatrici a membrana LEWA di diverse dimensioni saranno utilizzate per alimentare in modo preciso e costante la CO2 liquida utilizzata nel circuito di raffreddamento.
Superare i limiti
Le pompe dosatrici a membrana sono state testate specificamente per i requisiti del CERN. Né il CERN né LEWA volevano lasciare nulla al caso quando si trattava di garantire che il trasporto del sofisticato mezzo di raffreddamento dalle caverne di servizio ai rilevatori fosse privo di errori. Per la versione remota sono stati costruiti diversi prototipi che hanno funzionato come banchi di prova in condizioni reali. Sono stati prima testati con acqua, poi puliti con etanolo e poi testati in funzionamento continuo con CO2.
"È stato importante implementare una soluzione robusta e duratura. L'elenco dei requisiti era piuttosto ambizioso e richiedeva alcuni adattamenti molto speciali", spiega Wieland Wolff, Sales Area Manager di LEWA.
Ad esempio, le guarnizioni esistenti della versione di base sono state prima convalidate e poi sostituite con versioni più adatte. Per evitare che gli allarmi di avvertimento CO2 si attivino accidentalmente dopo l'installazione in loco, le unità ermeticamente sigillate sono state rivestite con il fluoropolimero PTFE anche nei punti critici. Inoltre, l'unità di azionamento e la testa motrice sono state modificate per fornire punti di misurazione adeguati per gli strumenti del CERN.
Inoltre, la temperatura di mandata sull'unità di azionamento non deve scendere al di sotto di -20 °C. A tale scopo, gli ingegneri LEWA hanno aggiunto una linea alternata in cui l'olio idraulico può riscaldarsi, impedendo alla CO2 di -55 °C di raggiungere l'unità di azionamento.
Il processo dell'acceleratore di particelle LHC si basa su temperature fredde ottenute con le pompe dosatrici a membrana di LEWA, un marchio di Atlas Copco Group.
Vantaggi reciproci
Il grande lavoro preparatorio ha dato i suoi frutti e LEWA ha iniziato a consegnare il primo lotto di un totale di 18 pompe ecoflow LDG.
Le pompe sono installate lontano dai rilevatori nelle caverne di servizio, al di fuori dell'area di radiazione e campo magnetico presente nelle caverne sperimentali. Ciò consente di controllarli dalla sala di controllo tramite la regolazione elettrica della corsa e un convertitore di frequenza, eliminando la necessità che i dipendenti siano in loco.
Una volta completato lo spegnimento corrente, le pompe installate raffreddano l'elettronica e i sensori in silicio tramite una complessa rete di linee di trasferimento, collettori di distribuzione e piccoli tubi di raffreddamento.
Ulteriori informazioni sono disponibili all'indirizzo: www.lewa.com e www.atlas.cern
