Niet ver van het Genèvemeer exploiteert het European Laboratory for Particle Physics (CERN) 's werelds grootste deeltjesversneller: de Large Hadron Collider (LHC). Onderzoekers gebruiken deeltjesversnellers om fundamentele natuurkundige vragen te onderzoeken en proberen bijvoorbeeld de samenstelling van donkere materie te bepalen. Ze hebben het bestaan van het Higgs-boson al bewezen, het 'Goddeeltje', dat alle andere elementaire deeltjes hun massa geeft.
Supergrote detectors
De LHC-deeltjesversneller is een gigantische ringtunnel die ongeveer 27 kilometer lang is en voorzien is van vier meetpunten, waaronder twee universele detectoren: ATLAS en CMS. De indrukwekkende cilinders, die even zwaar zijn als de Eiffeltoren, rusten in reusachtige grotten. Voor de onderzoekers biedt dit een venster naar de geheimen van het universum.
De ATLAS-detector werd ontwikkeld om nieuwe deeltjes te ontdekken als gevolg van frontale botsingen van protonen. Het onderzoek draagt bij aan studies over extra dimensies, krachtenvereniging en donkere materie.
De CMS-detector is ontwikkeld om deeltjes te bestuderen die worden geproduceerd bij proton-proton- en zware-ionbotsingen. De onderzoekers willen antwoorden vinden op fundamentele vragen als: "Waarom is de wereld zoals hij is?", "Waarom wegen sommige deeltjes meer dan andere?" en "Waaruit bestaat de donkere materie in het universum?"
Om de verborgen geheimen te ontdekken, maken de ATLAS en CMS gebruik van precisiemetingen om het pad, het momentum en de energie van de vrijgekomen deeltjes zonder fouten vast te leggen. De detectoren zijn bedekt met siliciumsensormodules (elk meer dan honderd vierkante meter) die de deeltjesbotsingen registreren die meer dan een miljard interacties per seconde genereren.
Linkerafbeelding: De ATLAS- en CMS-detectoren in het CERN-laboratorium in Zwitserland gebruiken precisiemetingen om het pad, het momentum en de energie van vrijgekomen deeltjes te registreren. De CMS-detector onderzoekt deeltjes die ontstaan bij proton-proton- en zware ionbotsingen. Bron CERN
Afbeelding rechts: De ATLAS-detector wordt gebruikt om deeltjes te ontdekken die het gevolg zijn van frontale botsingen van protonen. Het onderzoek draagt bij aan studies over extra dimensies, krachtenvereniging en donkere materie. Bron CERN
Koel houden
Om ervoor te zorgen dat de metingen nauwkeurig zijn en dat de siliciumsensoren niet worden beschadigd door de hoge stralingsdosis, zijn temperaturen tot -55°C vereist. De elektronica en sensoren genereren ook veel warmte die moet worden afgevoerd.
Tijdens een geplande lange uitschakeling in 2026-2029 ondergaan de LHC-versneller en zijn experimenten een belangrijke upgrade. Eén onderdeel is de volledige vervanging van de siliciumtraceerdetectoren.
"ATLAS en CMS zullen een tweefasig CO2 -koelsysteem gebruiken voor al hun siliciumtrackers en calorimeterdetectoren met eindkap. Het systeem maakt een hoge warmteoverdracht mogelijk bij een lage viscositeit en een temperatuurbereik dat goed geschikt is voor de werking van de detector", zegt Jérôme Daguin, Cooling Engineer en CMS Cooling Coordinator bij CERN.
Het koelsysteem zal gebaseerd zijn op parallelle modulaire units die CO2 door speciale verdampers laten circuleren. Elke koelmodule wordt uitgerust met een speciale membraanpomp om de vloeibare CO2te laten circuleren.
Om het koelmedium nauwkeurig en veilig in te voeren, werkt CERN opnieuw samen met de pompexperts van LEWA, een merk binnen Atlas Copco Group. LEWA-membraandoseerpompen van verschillende groottes worden gebruikt om de gebruikte vloeibare CO2 nauwkeurig en constant in het koelcircuit te voeren.
Grenzen verleggen
De membraandoseerpompen zijn specifiek getest op de eisen van CERN. Noch CERN, noch LEWA wilden iets aan het toeval overlaten als het ging om het probleemloos transporteren van het geavanceerde koelmedium van de servicegrotten naar de detectoren. Voor de aangepaste remote versie werden verschillende prototypes gebouwd, die als testbanken onder reële omstandigheden functioneerden. Ze werden eerst getest met water, vervolgens gereinigd met ethanol en vervolgens getest in continue werking met CO2.
"Het was belangrijk om een robuuste, duurzame oplossing te implementeren. De lijst met eisen was vrij ambitieus en vereiste enkele bijzondere aanpassingen", legt Wieland Wolff, Area Sales Manager bij LEWA, uit.
Zo werden de bestaande afdichtingen van de basisversie eerst gevalideerd en vervolgens vervangen door geschiktere versies. Om te voorkomen dat de CO2 -waarschuwingsalarmen per ongeluk worden geactiveerd na de installatie ter plaatse, werden de hermetisch dichte eenheden ook op kritische punten gecoat met het fluorpolymeer PTFE. Daarnaast werden de aandrijfeenheid en de aandrijfkop aangepast om geschikte meetpunten te bieden voor de instrumenten van CERN.
Bovendien mag de toevoertemperatuur bij de aandrijfeenheid niet onder -20°C dalen. Hiervoor hebben de LEWA-ingenieurs een heen-en-weergaande leiding toegevoegd waarin de hydraulische olie kan opwarmen, waardoor de -55°C CO2 de aandrijfeenheid niet kan bereiken.
Wederzijdse voordelen
Het uitgebreide voorbereidende werk heeft zijn vruchten afgeworpen en LEWA is nu begonnen met de levering van de eerste partij van in totaal 18 ecoflow LDG-pompen.
De pompen worden uit de buurt van de detectoren in de servicegrotten geïnstalleerd, buiten het stralings- en magnetisch veld in de experimentele zone. Dit maakt het mogelijk om ze vanuit de controlekamer te bedienen via elektrische slagverstelling en een frequentieomvormer, waardoor medewerkers niet ter plaatse hoeven te zijn.
Wanneer de huidige uitschakeling is voltooid, koelen de geïnstalleerde pompen de elektronica en de siliciumsensoren via een complex netwerk van overdrachtsleidingen, distributiecollectoren en kleine koelleidingen.
Meer informatie vind je op: www.lewa.com en www.atlas.cern
