Недалеко от Женевского озера в Европейской лаборатории физики частиц (CERN) работает крупнейший в мире ускоритель частиц - большой адронный коллайдер (LHC). Исследователи используют ускорение частиц для изучения фундаментальных вопросов физики и, например, для определения состава темного вещества. Они уже доказали существование бозона Хиггса, «частицы бога», которая придает массу всем остальным элементарным частицам.
Сверхбольшие детекторы
Ускоритель частиц LHC представляет собой гигантский кольцевой туннель длиной около 27 километров, оснащенный четырьмя точками измерения, включая два универсальных детектора: ATLAS и CMS. Внушительные цилиндры, весом столько же, что и Эйфелева башня, лежат внутри огромных пещер. Для исследователей это окно в секреты вселенной.
Детектор ATLAS был разработан для обнаружения новых частиц в результате лобового столкновения протонов. Исследования вносят свой вклад в исследования дополнительных измерений, объединения сил и темной материи.
Детектор CMS был разработан для изучения частиц, образующихся при столкновениях протонов и тяжёлых ионов. Исследователи стремятся найти ответы на фундаментальные вопросы, такие как: — «Почему мир устроен именно так?» — «Почему одни частицы весят больше, чем другие?» — «Из чего состоит тёмная материя во Вселенной?»
Для изучения скрытых секретов ATLAS и CMS используют точные измерения для безошибочной регистрации пути, импульса и энергии высвобождаемых частиц. Детекторы покрыты силиконовыми сенсорными модулями (по сотне квадратных метров каждый), которые регистрируют столкновения частиц, которые генерируют более миллиарда взаимодействий в секунду.
Изображение слева: детекторы ATLAS и CMS в лаборатории CERN в Швейцарии используют точные измерения для регистрации пути, импульса и энергии высвобождаемых частиц. Детектор CMS изучает частицы, образующиеся при столкновениях протон-протон и тяжелых ионов. Иллюстрация: CERN
Правое изображение: детектор ATLAS используется для обнаружения частиц в результате лобового столкновения протонов. Исследования вносят свой вклад в исследования дополнительных измерений, объединения сил и темной материи. Иллюстрация: CERN
Охлаждение
Для обеспечения точности измерений и предотвращения повреждения силиконовых датчиков из-за высокой дозы излучения необходимы температуры до -55 °C. Кроме того, электроника и датчики выделяют много тепла, которое необходимо отводить.
В ходе запланированного длительного простоя в период с 2026 по 2029 годы ускоритель LHC и его эксперименты будут подвергнуты важной модернизации. Одна часть - полная замена детекторов отслеживания кремния.
«ATLAS и CMS будут использовать двухфазную систему охлаждения CO2 для всех своих кремниевых трекеров и калориметрических детекторов с торцевой крышкой. Система обеспечивает высокую теплопередачу при низкой вязкости и температурном диапазоне, который хорошо подходит для работы детектора», - говорит инженер по охлаждению и координатор по охлаждению CMS Jérôme Дагин из CERN.
Система охлаждения будет базироваться на параллельных модульных блоках, которые циркулируют CO2 через специальные испарители. Каждый модуль охлаждения оснащается специальным мембранным насосом для циркуляции жидкого CO2.
Чтобы обеспечить точную и безопасную подачу охлаждающей жидкости, CERN снова сотрудничает с экспертами по насосам LEWA, бренда Atlas Copco Group. Для точной и постоянной подачи используемого жидкого CO2 в контур охлаждения используются мембранные дозирующие насосы LEWA различных размеров.
Раздвигая границы возможного
Мембранные дозирующие насосы были протестированы специально с учётом требований CERN. Ни CERN, ни компания LEWA не хотели оставлять ничего на волю случая, особенно в вопросе надёжной транспортировки сложной охлаждающей среды от обслуживающих шахт к детекторам без ошибок.Для адаптированной удалённой версии было создано несколько прототипов, которые использовались в качестве испытательных стендов в реальных условиях. Сначала они тестировались с водой, затем очищались этанолом, а после этого проходили испытания в режиме непрерывной работы с CO2.
«Было важно внедрить надежное и долговечное решение. Список требований был довольно амбициозным и требовал особых корректировок», - поясняет Wieland Wolff, региональный менеджер по продажам LEWA.
Например, имеющиеся уплотнения базовой версии были сначала проверены, а затем заменены более подходящими версиями. Чтобы предотвратить случайное срабатывание сигнализации CO2 после установки на объекте, герметичные блоки также были покрыты фторполимером PTFE в критических точках. Кроме того, приводной блок и приводная головка были модифицированы для обеспечения соответствующих точек измерения для инструментов CERN.
Кроме того, температура подачи на приводном блоке не должна опускаться ниже -20 °C. Для этого инженеры LEWA добавили возвратно-поступательную линию, в которой гидравлическое масло может нагреваться, предотвращая попадание в приводной блок -55 °C CO 2.
Процесс ускорителя частиц LHC основан на низких температурах, обеспечиваемых мембранными дозировочными насосами LEWA, брендом Atlas Copco Group..
Взаимная выгода
Обширная подготовительная работа окупилась, и LEWA начала поставлять первую партию из 18 насосов ecoflow LDG.
Насосы устанавливаются вне детекторов в обслуживающих пещерах, вне зоны излучения и магнитного поля, встречающихся в экспериментальных пещерах. Это позволяет управлять ими из диспетчерской с помощью электрической регулировки хода и частотного преобразователя, что устраняет необходимость нахождения сотрудников на объекте.
После завершения текущего отключения установленные насосы будут охлаждать электронику и кремниевые датчики через сложную сеть передающих линий, распределительных коллекторов и небольших охлаждающих труб.
Дополнительную информацию можно найти на сайтах www.lewa.com и www.atlas.cern
