Ikke langt fra Genevesjøen driver European Laboratory for Particle Physics (CERN) verdens største partikkelakselerator: The Large Hadron Collider (LHC). Forskere bruker partikkelakselerasjon til å undersøke grunnleggende fysikkspørsmål og forsøke å bestemme sammensetningen av for eksempel mørk materie. De har allerede bevist eksistensen av Higgs boson, "Gudpartikkelen", som gir alle andre elementære partikler sin masse.
Ekstra store detektorer
LHC-partikkelakseleratoren er en gigantisk ringtunnel som er ca. 27 kilometer lang og har fire målepunkter, inkludert to universaldetektorer: ATLAS og CMS. De imponerende sylindrene, som veier like mye som Eiffeltårnet, hviler inne i enorme huler. For forskerne er dette et vindu til universets hemmeligheter.
ATLAS-detektoren ble utviklet for å oppdage nye partikler som følge av frontkollisjoner med protoner. Forskningen bidrar til studier om ekstradimensjoner, kraftforening og mørk makt.
CMS-detektoren ble utviklet for å studere partikler som produseres i proton-proton- og tungion-kollisjoner. Forskerne ønsker å finne svar på grunnleggende spørsmål som: «Hvorfor er verden slik den er?", "Hvorfor veier noen partikler mer enn andre?" og "Hva er det mørke i universet?"
For å utforske de skjulte hemmelighetene bruker ATLAS og CMS presisjonsmålinger for å registrere banen, farten og energien til de frigjorte partiklene uten feil. Detektorene er dekket med silisiumsensormoduler (over hundre kvadratmeter hver) som registrerer partikkelkollisjonene, som genererer over en milliard interaksjoner per sekund.
Venstre bilde: ATLAS- og CMS-detektorene ved CERN-laboratoriet i Sveits bruker presisjonsmålinger til å registrere bane, momentum og energi for frigjorte partikler. CMS-detektoren studerer partikler som produseres i proton-proton- og tungion-kollisjoner. Bildekilde: CERN
Høyre bilde: ATLAS-detektoren brukes til å oppdage partikler som følge av frontkollisjoner med protoner. Forskningen bidrar til studier om ekstradimensjoner, kraftforening og mørk makt. Bildekilde: CERN
Holder det kjølig
For å sikre at målingene er nøyaktige og at silikonsensorene ikke skades av den høye strålingsdosen, kreves temperaturer helt ned til -55 °C. Elektronikken og sensorene genererer også mye varme som må ledes bort.
Under en planlagt lang nedstengning i 2026-2029 vil LHC-akseleratoren og eksperimentene gjennomgå en viktig oppgradering. En del av dette er den fullstendige utskiftingen av silikonsporingsdetektorene.
«ATLAS og CMS vil bruke et tofaset CO2 -kjølesystem til alle sine silisiumsporere og endestykkekalorimeterdetektorer. Systemet muliggjør høy varmeoverføring ved lav viskositet og et temperaturområde som er godt egnet for drift av detektoren," sier Cooling Engineer og CMS Cooling Coordinator Jérôme Daguin fra CERN.
Kjølesystemet vil være basert på parallelle modulenheter som sirkulerer CO2 gjennom spesielle fordampere. Hver kjølemodul vil være utstyrt med en spesiell membranpumpe for å sirkulere flytende CO2.
For å introdusere kjølemediet presist og sikkert samarbeider CERN igjen med pumpeekspertene fra LEWA, et merke i Atlas Copco Group. LEWA membrandoseringspumper i ulike størrelser vil bli brukt til å mate den flytende CO2 som brukes nøyaktig og konstant inn i kjølekretsen.
Utvide grensene
Membrandoseringspumpene ble testet spesifikt for CERNs krav. Verken CERN eller LEWA ønsket å overlate noe til tilfeldighetene når det gjaldt å sikre at transporten av det sofistikerte kjølemediet fra servicekavernene til detektorene gikk feilfritt. For den tilpassede fjernversjonen ble det bygget flere prototyper som fungerte som testbenker under reelle forhold. De ble først testet med vann, deretter rengjort med etanol og deretter testet i kontinuerlig drift med CO2.
«Det var viktig å implementere en robust og holdbar løsning. Kravlisten var ganske ambisiøs og krevde noen helt spesielle tilpasninger», forklarer Wieland Wolff, Area Sales Manager hos LEWA.
For eksempel ble de eksisterende tetningene i basisversjonen først validert og deretter erstattet med mer egnede versjoner. For å hindre at CO2 -varselalarmene utløses ved et uhell etter installasjon på stedet, ble de hermetisk tette enhetene også belagt med fluorpolymeren PTFE på kritiske punkter. I tillegg ble drivenheten og drivhodet modifisert for å gi egnede målepunkter for CERNs instrumenter.
Videre må temperaturen ved drivenheten ikke falle under -20 °C. Til dette formålet har LEWA-ingeniørene lagt til en stempelledning der hydraulikkoljen kan varmes opp, noe som hindrer at -55 °C CO2 når drivenheten.
LHC-partikkelakseleratorprosessen er avhengig av kjølige temperaturer muliggjort av membrandoseringspumper fra LEWA, et merke i Atlas Copco-konsernet.
Gjensidige fordeler
Det omfattende forberedelsesarbeidet har lønnet seg, og LEWA har nå begynt å levere det første partiet med totalt 18 ecoflow LDG-pumper.
Pumpene er installert borte fra detektorene i servicekavernene, utenfor strålings- og magnetfeltområdet som finnes i eksperimentkavernene. Dette gjør at de kan styres fra kontrollrommet via elektrisk slagjustering og en frekvensomformer, noe som eliminerer behovet for at ansatte er på stedet.
Når den nåværende nedstengningen er fullført, vil de installerte pumpene kjøle ned elektronikken og silisiumsensorene via et komplekst nettverk av overføringslinjer, distribusjonskollektorer og små kjølerør.
Du finner mer informasjon på: www.lewa.com og www.atlas.cern
