Nedaleč od Ženevskega jezera deluje Evropski laboratorij za fiziko delcev (CERN) z največjim pospeševalnikom delcev na svetu, velikim hadronovim trkalnikom (LHC). Raziskovalci uporabljajo pospeševanje delcev za raziskovanje temeljnih fizikalnih vprašanj in na primer za določanje sestave temne snovi. Dokazali so že obstoj Higgsovega bozona, »božanskega delca«, ki vsem drugim elementarnim delcem daje svojo maso.
Veliki detektorji
Pospeševalec delcev LHC je velikanski obročasti tunel, dolg približno 27 kilometrov in opremljen s štirimi merilnimi točkami, vključno z dvema večnamenskima detektorjema: ATLAS in CMS. Impresivni valji, ki tehtajo toliko kot Eifflov stolp, ležijo v ogromnih votlinah. Za raziskovalce je to okno v skrivnosti vesolja.
Detektor ATLAS je bil razvit za odkrivanje novih delcev, ki so posledica čelnih trkov protonov. Raziskave prispevajo k študijam o dodatnih dimenzijah, združevanju sil in temni snovi.
Detektor CMS je bil razvit za preučevanje delcev, proizvedenih pri trkih protonov in težkih ionov. Raziskovalci želijo najti odgovore na temeljna vprašanja, kot so: »Zakaj je svet takšen, kot je?«", "Zakaj so nekateri delci težji od drugih?" in "Kaj sestavlja temno snov v vesolju?"
Za raziskovanje skritih skrivnosti ATLAS in CMS uporabljata natančne meritve za beleženje poti, dinamike in energije sproščenih delcev brez napak. Detektorji so pokriti s silikonskimi senzorskimi moduli (po več kot sto kvadratnih metrov), ki beležijo trke delcev, ki ustvarijo več kot milijardo interakcij na sekundo.
Leva slika: Detektorji ATLAS in CMS v laboratoriju CERN v Švici uporabljajo natančne meritve za beleženje poti, dinamike in energije sproščenih delcev. Detektor CMS preučuje delce, proizvedene pri trkih protonov in težkih ionov. Avtor slike: CERN
Desna slika: Detektor ATLAS se uporablja za odkrivanje delcev, ki so posledica čelnih trkov protonov. Raziskave prispevajo k študijam o dodatnih dimenzijah, združevanju sil in temni snovi. Avtor slike: CERN
Ohranjanje hladu
Da bi zagotovili natančne meritve in da silikonski senzorji niso poškodovani zaradi visokega odmerka sevanja, so potrebne temperature do -55 °C. Elektronika in senzorji prav tako proizvajajo veliko toplote, ki jo je treba odvajati.
Med načrtovano dolgotrajno zaustavitvijo v letih 2026–2029 bodo pospeševalnik LHC in njegovi poskusi prestali pomembno nadgradnjo. En del je popolna zamenjava detektorjev sledenja silicija.
"ATLAS in CMS bosta uporabljala dvofazni hladilni sistem CO2 za vse svoje sledilnike silicija in detektorje kalorimetrov s končnim pokrovčkom. Sistem omogoča visok prenos toplote pri nizki viskoznosti in temperaturnem razponu, ki je primeren za delovanje detektorja,« pravi inženir hlajenja in koordinator hlajenja CMS Jérôme Daguin iz CERN-a.
Hladilni sistem bo temeljil na vzporednih modularnih enotah, ki krožijo CO2 skozi posebne uparjalnike. Vsak hladilni modul bo opremljen s posebno membransko črpalko za kroženje tekočega CO2.
Za natančno in varno dovajanje hladilnega sredstva CERN ponovno sodeluje s strokovnjaki za črpalke podjetja LEWA, blagovne znamke skupine Atlas Copco. Membranske dozirne črpalke LEWA različnih velikosti se uporabljajo za natančno in stalno dovajanje uporabljenega tekočega CO2 v hladilni krogotok.
Premikamo meje
Membranske dozirne črpalke so bile preizkušene posebej za zahteve CERN. Niti CERN niti LEWA nista želela ničesar prepustiti naključju, ko je šlo za zagotavljanje brezhibnega transporta prefinjenega hladilnega medija iz servisnih votlin do detektorjev. Za prilagojeno različico na daljavo je bilo izdelanih več prototipov, ki so delovali kot preskusne mize v realnih pogojih. Najprej so jih preizkusili z vodo, nato so jih očistili z etanolom in nato preizkusili v neprekinjenem delovanju s CO2.
"Pomembno je bilo uvesti robustno in vzdržljivo rešitev. Seznam zahtev je bil precej ambiciozen in je zahteval nekaj zelo posebnih prilagoditev,« pojasnjuje Wieland Wolff, področni vodja prodaje pri podjetju LEWA.
Obstoječa tesnila osnovne izvedbe so bila na primer najprej potrjena in nato zamenjana z bolj primernimi izvedbami. Da bi preprečili nenamerno sprožitev opozorilnih alarmov za CO2 po namestitvi na mestu uporabe, so bile hermetično zaprte enote na kritičnih mestih premazane tudi s fluoropolimerom PTFE. Poleg tega sta bili pogonska enota in pogonska glava spremenjeni, da sta zagotovili ustrezne merilne točke za instrumente CERN.
Poleg tega temperatura dotoka na pogonski enoti ne sme pasti pod -20 °C. V ta namen so inženirji podjetja LEWA dodali batni vod, v katerem se lahko hidravlično olje segreje, kar preprečuje, da bi -55 °C CO2 dosegli pogonsko enoto.
Proces pospeševalnika delcev LHC se zanaša na nizke temperature, ki jih omogočajo membranske dozirne črpalke podjetja LEWA, blagovne znamke skupine Atlas Copco.
Vzajemna korist
Obsežno pripravljalno delo se je izplačalo in podjetje LEWA je zdaj začelo dobavljati prvo serijo skupno 18 črpalk ecoflow LDG.
Črpalke so nameščene stran od detektorjev v servisnih votlinah, zunaj območja sevanja in magnetnega polja, ki ga najdemo v eksperimentalnih votlinah. Tako jih je mogoče krmiliti iz nadzorne sobe z električno prilagoditvijo hoda in frekvenčnim pretvornikom, zaradi česar zaposlenim ni potrebno biti na mestu uporabe.
Ko je trenutna zaustavitev končana, bodo nameščene črpalke hladile elektroniko in silikonske senzorje prek kompleksnega omrežja prenosnih vodov, razdelilnih zbiralnikov in majhnih hladilnih cevi.
Več informacij najdete na: www.lewa.com in www.atlas.cern
