ジュネーブ湖から少し離れたところにある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、精密な測定を使用して放出された粒子の経路、運動量、エネルギーを記録します。CMS検出器は、陽子 - 陽子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、余剰次元、力の統合、暗黒物質に関する研究に貢献しています。画像クレジット：CERN
涼しく保つ
測定を精密に行い、シリコンセンサーが高線量の放射線によって損傷を受けないようにするには、-55°Cという低い温度が必要です。さらに、電子機器やセンサーは多くの熱を発生するため、放散する必要があります。
2026年から 2029年にかけての計画的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。そのうちの一部は、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、検出器の動作に適した低粘度と温度範囲で高い熱伝導を可能にします」とCERNの冷却エンジニア兼CMS冷却コーディネーター Jérôme Daguin は述べています。
冷却システムは、特殊な蒸発器を通してCO2を循環させる並列モジュール式ユニットをベースにしています。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装備されています。
CERN は、冷却媒体を正確かつ安全に導入するために、アトラスコプコグループのブランドであるLEWAのポンプ専門家と再度協力します。さまざまなサイズの LEWA ダイヤフラム式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安定的に供給します。
限界を押し広げる
ダイヤフラム測定ポンプは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キャベラーから検出器までエラーなく確実に輸送する上で、一切の偶然性を許容したくありませんでした。適合されたリモートバージョン用にいくつかのプロトタイプが制作され、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 で連続運転テストを行いました。
「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。要件の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、基本バージョンの既存のシールは最初に検証され、その後、より適切なバージョン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コーティングが施されました。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、駆動装置への供給温度は-20 °Cを下回ってはなりません。そのため、LEWAのエンジニアは、油圧オイルを加熱できる往復ラインを追加し、-55°C のCO2が駆動装置に到達するのを防ぎました。
LHC粒子加速器プロセスは、アトラスコプコグループのブランドであるLEWAのダイヤフラムメータリングポンプが可能にする低温に依存しています。
双方にとってのメリット
LEWA は、幅広い準備作業が実を結び、合計18台のecoflow LDGポンプの最初のバッチの納品を開始しました。
ポンプは、実験空洞内の放射線および磁場領域の外側、つまり検出器から離れたサービス空洞内に設置されます。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介して制御室から制御することができ、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、伝送ライン、分配コレクター、および小型冷却パイプの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
