ジュネーブ湖の近くに、欧州原子核研究機構 (CERN) は世界最大の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) を運用しています。研究者は、粒子加速を利用して物理学の根源的な問題を調査し、例えば暗黒物質の組成を判断しようとしています。これらは、他のすべての元素粒子に質量を与えるヒッグス粒子、つまり「神の粒子」の存在をすでに証明しています。
スーパーサイズの検出器
LHC 粒子加速器は、長さ約 27キロメートルの巨大なリングトンネルで、ATLASとCMSという2つの汎用検出器を含む4つの測定ポイントを備えています。エッフェル塔と同じくらいの重さの印象的なシリンダーは、巨大な洞窟の中にあります。研究者にとって、これは宇宙の秘密への窓です。
ATLAS検出器は、陽子の正面衝突から生じる新しい粒子を発見するために開発されました。この研究は、余剰次元、力の統合、そして暗黒物質に関する研究に貢献しています。
CMS検出器は、陽子同士の - 陽子衝突および重イオン衝突で生成される粒子を研究するために開発されました。研究者は、「なぜ世界はこうなっているのか？」「なぜある粒子は他の粒子よりも重いのか？」「宇宙の暗黒物質は何で構成されているのか」などの根本的な疑問への答えを見つけたいと考えています。
ATLASとCMSは、隠れた秘密を探るため、精密な測定を使用して、放出された粒子の経路、運動量、エネルギーを誤差なく記録します。検出器はシリコンセンサーモジュール（各100平方メートル以上）で覆われており、1 秒あたり10億回以上の相互作用を生成する粒子衝突を記録します。
左の画像 ：スイスの CERN 研究所のATLASとCMS検出器は、正確な測定を使用して放出された粒子の経路、モーメント、エネルギーを記録します。CMS検出器は、プロトン - プロトン衝突および重イオン衝突で生成された粒子を検査します。画像クレジット：CERN
右の画像 ：ATLAS検出器は、陽子の正面衝突から生じる粒子の検出に使用されます。この研究は、余分な次元、力の統合、ダークマターに関する研究に貢献しています。画像クレジット：CERN
クールに保つ
測定を正確に行い、シリコンセンサが高量の放射線によって損傷しないようにするには、-55°C までの温度が必要です。また、電子機器やセンサーは多くの熱を発生させるため、その熱を放散する必要があります。
2026年から 2029年にかけての長期シャットダウンの間、LHC加速器とその実験は重要なアップグレードを受けます。一部は、シリコントラッキング検出器の完全な交換です。
"ATLASとCMSは、すべてのシリコントラッカーとエンドキャップ熱量計検出器に 2 相CO2冷却システムを使用します。このシステムは、低粘度で高い熱伝達性能を実現し、検出器の運転に非常に適した温度範囲を提供します」とCERNの冷却エンジニアおよび CMS冷却コーディネーター Jérôme Daguin氏は述べています。
冷却システムは、 CO2を特殊な蒸発器に循環させる並列モジュール式ユニットを基盤としています。各冷却モジュールには、液体CO2を循環させるための特殊なダイヤフラムポンプが搭載されています。
CERNは、冷却媒体を正確かつ安全に導入するために、今回もアトラスコプコグループ内のブランドであるLEWAのポンプ専門家と協力しています。さまざまなサイズの LEWAダイヤフラム定量ポンプを使用して、使用される液体CO2を冷却回路に正確かつ継続的に供給します。
限界を押し広げる
ダイヤフラム定量ポンプはCERNの要件に合わせて特別にテストされました。CERNもLEWAも、高度な冷却媒体をサービス空洞から検出器までエラーなく確実に輸送することについて、一切の妥協を許しませんでした。適合するリモートバージョン用にいくつかのプロトタイプが構築され、実際の条件下でテストベンチとして機能しました。最初に水で試験し、次にエタノールで洗浄し、次に CO2での連続運転試験が行われました。
「堅牢で耐久性のあるソリューションを導入することが重要でした。要件リストは非常に野心的で、非常に特別な調整が必要でした」とLEWAのエリアセールスマネージャーである Wieland Wolff は説明します。
たとえば、基本仕様の既存のシールは最初に検証され、その後、より適切な仕様に置き換えられました。現場での設置後に CO2 警告アラームが誤って作動するのを防ぐため、気密性の高いユニットは重要な箇所にもフッ素ポリマー PTFE でコーティングされています。さらに、駆動ユニットと駆動ヘッドは、CERNの機器に適切な測定ポイントを提供するように変更されました。
さらに、駆動装置で供給される温度は -20 °Cを下回ってはなりません。この目的のために、LEWAのエンジニアは、油圧オイルを加熱できる往復配管を追加し、-55°C のCO2が駆動装置に到達するのを防ぎました。
アトラスコプコグループのブランドであるLEWAのダイヤフラム定量ポンプによって実現される低温環境が、LHC 粒子加速器の運転プロセスを支えています。
双方にとってのメリット
綿密な準備作業が実を結び、LEWAは合計18台のecoflow LDG ポンプの最初のロットの納品を開始しました。
ポンプは、サービスキャビン内の検出器から離れた場所、実験キャベア内の放射線および磁場の影響を受けないエリアに設置されています。これにより、電動ストローク調整と周波数インバーターを使用して制御室から制御することが可能となり、従業員が現場にいる必要がなくなります。
現在のシャットダウンが完了すると、設置されたポンプは、伝送配管、分配コレクター、小型冷却パイプから成る複雑なネットワークを介して電子機器とシリコンセンサーを冷却します。
詳細はこちらをご覧ください：www.lewa.comおよび www.atlas.cern
