Niedaleko Jeziora Genewskiego, w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek (CERN) działa największy na świecie przyspieszacz cząstek: Wielki Zderzacz Hadronów (LHC Large Hadron Collider). Naukowcy wykorzystują przyspieszenie cząstek do badania podstawowych zagadnień fizyki i próby określenia składu ciemnej materii. Udowodnili już istnienie bozonu Higgsa, czyli „cząstki bożej”, która nadaje masę wszystkim innym cząstkom elementarnym.
Duże wykrywacze
Akcelerator cząstek LHC to gigantyczny tunel pierścieniowy o długości około 27 kilometrów, wyposażony w cztery punkty pomiarowe, w tym dwa uniwersalne detektory: ATLAS i CMS. Imponujące cylindry, które ważą tyle samo, co Wieża Eiffla, spoczywają w ogromnych jaskiniach. Dla badaczy jest to okno do tajemnic wszechświata.
Detektor ATLAS został opracowany w celu dokonywania nowych odkryć cząstek powstających w wyniku zderzeń czołowych protonów. Badania te przyczyniają się do badań nad dodatkowymi wymiarami, łączeniem sił i ciemną materią.
Detektor CMS został opracowany do badania cząstek powstających podczas kolizji proton-proton i ciężkich jonów. Naukowcy chcą znaleźć odpowiedzi na podstawowe pytania, takie jak: „Dlaczego świat jest taki, jakim jest?”.", „Dlaczego niektóre cząstki ważą więcej niż inne?” i „Czym jest ciemna materia we wszechświecie?”
Aby zbadać ukryte sekrety, ATLAS i CMS wykorzystują precyzyjne pomiary do bezbłędnego rejestrowania drogi, momentu i energii uwalnianych cząstek. Detektory są pokryte krzemowymi modułami czujników (każdy o powierzchni ponad stu metrów kwadratowych), które rejestrują kolizje cząstek, które generują ponad miliard interakcji na sekundę.
Zdjęcie po lewej stronie: Detektory ATLAS i CMS w laboratorium CERN w Szwajcarii wykorzystują precyzyjne pomiary do rejestracji drogi, momentu i energii uwalnianych cząstek. Detektor CMS bada cząstki powstałe podczas kolizji proton-proton i ciężkich jonów. Źródło zdjęcia: CERN
Prawy rysunek: Detektor ATLAS służy do wykrywania cząstek powstałych w wyniku zderzenia czołowego protonów. Badania te przyczyniają się do badań nad dodatkowymi wymiarami, łączeniem sił i ciemną materią. Źródło zdjęcia: CERN
Chłodzenie
Aby zapewnić dokładność pomiarów i nie uszkodzić czujników krzemowych w wyniku wysokiej dawki promieniowania, wymagane są temperatury do -55°C. Ponadto układy elektroniczne i czujniki wytwarzają dużo ciepła, które musi zostać odprowadzone.
Podczas planowanego długiego wyłączenia w latach 2026-2029 akcelerator LHC i jego eksperymenty przejdą ważną modernizację. Jedną z części jest całkowita wymiana detektorów śledzenia krzemu.
„Firmy ATLAS i CMS będą używać dwufazowego systemu chłodzenia CO2 do wszystkich swoich trackerów krzemowych i detektorów kalorymetrycznych z zatyczką końcową. System umożliwia wysoką wymianę ciepła przy niskiej lepkości i zakresie temperatur, który jest odpowiedni do obsługi wykrywacza” - mówi inżynier ds. chłodzenia i koordynator ds. chłodzenia CMS Jérôme Daguin z CERN.
Układ chłodzenia będzie oparty na równoległych modułach, które cyrkulują CO2 przez specjalne parowniki. Każdy moduł chłodzący jest wyposażony w specjalną pompę membranową do cyrkulacji ciekłego CO2.
Aby zapewnić dokładne i bezpieczne wprowadzanie czynnika chłodzącego, CERN ponownie współpracuje z ekspertami ds. pomp z LEWA, marki należącej do Grupy Atlas Copco. Pompy membranowe LEWA o różnych rozmiarach służą do precyzyjnego i stałego podawania ciekłego CO2 do obiegu chłodzenia.
Przekraczanie granic
Pompy dozujące z membraną zostały przetestowane specjalnie pod kątem wymagań CERN. Ani CERN, ani LEWA nie chcieli pozostawić niczego przypadkowi, gdy chodziło o zapewnienie bezbłędnego transportu zaawansowanego czynnika chłodzącego z jaskiń serwisowych do detektorów. Zbudowano kilka prototypów dostosowanej wersji zdalnej, która działała jako stanowiska testowe w rzeczywistych warunkach. Najpierw przetestowano je wodą, następnie oczyszczono etanolem, a następnie przetestowano w trybie ciągłym z CO2.
„Ważne było wdrożenie solidnego, trwałego rozwiązania. Lista wymagań była dość ambitna i wymagała pewnych specjalnych modyfikacji” , wyjaśnia Wieland Wolff, Area Sales Manager z LEWA.
Na przykład istniejące uszczelki wersji podstawowej zostały najpierw sprawdzone, a następnie zastąpione bardziej odpowiednimi wersjami. Aby zapobiec przypadkowemu wyzwoleniu alarmów ostrzegawczych CO2 po instalacji na miejscu, hermetycznie zamknięte jednostki zostały również pokryte fluoropolimerem PTFE w krytycznych miejscach. Ponadto jednostka napędowa i głowica napędowa zostały zmodyfikowane w celu zapewnienia odpowiednich punktów pomiarowych dla instrumentów CERN.
Ponadto temperatura przepływu na jednostce napędowej nie może spaść poniżej -20 °C. W tym celu inżynierowie LEWA dodali linię tłokową, w której olej hydrauliczny może się nagrzewać, zapobiegając przedostawaniu się -55 °C CO2 do jednostki napędowej.
Proces przyspieszania cząstek stałych LHC opiera się na niskich temperaturach zapewnianych przez membranowe pompy dozujące firmy LEWA, marki należącej do Grupy Atlas Copco.
Wzajemne korzyści
Obszerne prace przygotowawcze opłaciły się, a firma LEWA rozpoczęła dostawę pierwszej partii łącznie 18 pomp LDG ecoflow.
Pompy są instalowane z dala od detektorów w jaskiniach serwisowych, poza obszarem promieniowania i pola magnetycznego występującym w jaskiniach eksperymentalnych. Umożliwia to sterowanie nimi z dyspozytorni za pomocą elektrycznej regulacji skoku i przemiennika częstotliwości, eliminując potrzebę obecności pracowników na miejscu.
Po zakończeniu bieżącego wyłączenia zainstalowane pompy będą chłodzić elektronikę i czujniki krzemowe za pośrednictwem złożonej sieci przewodów przesyłowych, kolektorów dystrybucyjnych i małych rur chłodzących.
Więcej informacji można znaleźć na stronach: www.lewa.com i www.atlas.cern
