Ausarbeitung des Vortrags - RWTH Aachen University

Ausarbeitung des Vortrags

LHC-Beschleuniger

aus der Reihe

Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien

von Jan Sammet

LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -2-

0 Inhaltsverzeichnis

0 Inhaltsverzeichnis.................................................................................................................... 2 1 Einleitung ................................................................................................................................ 3 2 Theoretischer Einschub ........................................................................................................... 4

2.1 Tuning .............................................................................................................................. 4 2.2 Raumladung ..................................................................................................................... 4

3 Übersicht über den Aufbau des LHC ...................................................................................... 5 4 Vorbeschleuniger .................................................................................................................... 6

4.1 Protonenquelle.................................................................................................................. 6 4.2 Radio Frequency Quadrupole (RFQ) ............................................................................... 7 4.3 LINAC2............................................................................................................................ 7 4.4 Proton Synchrotron Booster (PSB) .................................................................................. 8 4.5 Proton Synchrotron (PS) .................................................................................................. 9 4.6 Super Proton Synchrotron (SPS).................................................................................... 11 4.7 Transferlinien ................................................................................................................. 12

5 Der LHC-Ring....................................................................................................................... 13

5.1 Kavitäten und Beschleunigung....................................................................................... 13 5.2 Strahlführung und Strahlfokussierung .......................................................................... 14

5.2.1 LHC-Dipolmagnete................................................................................................. 14 5.2.2 LHC-Quadrupolmagnete......................................................................................... 17 5.2.3 Quenchen................................................................................................................. 18

6 Das Kühlsystem..................................................................................................................... 19

6.1 Das Kühlmittel ............................................................................................................... 19 6.2 Thermische Isolierung.................................................................................................... 21

7 Energie im LHC .................................................................................................................... 22 8 Technische Realisierung ....................................................................................................... 24 9 Aktueller Entwicklungsstand ................................................................................................ 25 10 Zusammenfassung............................................................................................................... 25


1 Einleitung Die Abkürzung LHC steht für Large Hadron Collider, das heißt man wird mit ihm Hadronen (Protonen) beschleunigen und bei bis zu 14 TeV Schwerpunktsenergie kollidieren lassen. Dazu verfügt der LHC über zwei Strahlrohre, in denen die Protonen gegenläufig auf bis zu 7 TeV beschleunigt werden. Alternativ zu Protonen wird man auch Blei-Ionen beschleunigen, welche dann mit bis zu 1150 TeV kollidieren sollen. Im Proton-Betrieb wird jeder Teilchenstrahl aus 2808 Paketen bestehen, die sich wiederum aus jeweils 1011 Protonen zusammensetzten, so dass die pro Strahl gespeicherte Energie bis zu 350 MJ betragen wird. Der größte Teil des 26,6 km langen Umfangs des Beschleunigers besteht aus Magneten, von denen über 8000 supraleitend sind. Mit den supraleitenden, zur Strahlführung verwendeten, Dipole wird man dabei Felder von bis zu 8,33 T erzeugen. Seinen vier Experimenten (CMS, ATLAS, ALICE, LHC-B) soll der LHC eine Luminosität von 1034 cm-2 s-1 bereitstellen. Die Strahlgröße wird dabei 300 µm im Ring und 16 µm an den Wechselwirkungspunkten betragen

Abb.1 – Übersicht über den LHC. Der Haupttunnel verläuft etwa 100 m unter der Oberfläche und verbindet die vier eingezeichneten Experimente. (Quelle: www.cern.ch)


2 Theoretischer Einschub

2.1 Tuning Um einen Beschleuniger zu „tunen“, betrachtet man die Anzahl Q der Umläufe, die ein Teilchen benötigt, bis es im Phasenraum (siehe Abb. 2) wieder an der gleichen Stellen angekommen ist. Ist Q ganzzahlig führt ein zunächst kleiner Fehler eines Dipols zu einer ablenkenden Resonanz, durch die das Teilchen verloren geht, da es bei jedem Umlauf immer wieder an der gleichen Stelle vorbeikommt und sich der Fehler so immer mehr verstärkt und nicht weg mittelt. Entsprechende Ablenkungen verursachen auch Quadru- und Sextupole, falls Q = n + 1/2 bzw. Q = n + 1/3. Das Tuning eines Beschleunigers bedeutet also ihn so konstruieren, dass Q nicht die entsprechenden Werte annimmt. Da man in der Praxis den gesamten transversalen Phasenraum berücksichtigen muss, d.h. seine x- und z-Ebene, trägt man die entsprechenden Werte für Qx und Qz auf (siehe Abb. 3), so dass man deren Optima ablesen kann.

Abb. 2 – x- und y-Ebene des transversalen Phasenraums. (Quelle: M. Benedikt, Cern)

Abb. 3 – Tuning-Diagramm, die Linien entsprechen den „verbotenen“ Q-Werten. (Quelle: L. Feld, RWTH)

2.2 Raumladung Das Problem der Raumladung ergibt sich aus den Kräften, die auf bewegte Protonen wirken. Betrachtet man zum Beispiel zwei parallel fliegende Protonen, so stoßen sich diese einerseits aufgrund ihrer statischen Coulomb-Potentiale ab, ziehen sich aber auch, durch die von ihnen induzierten Magnetfelder, gegenseitig an. Dabei hängt die magnetische Kraft von der Geschwindigkeit der Teilchen ab, weshalb sie gerade bei niedrigen Energien/ Geschwindigkeiten stark variiert, was die Raumladung besonders problematisch macht.


Allerdings ist nicht die Raumladung selbst störend, sondern das durch sie hervorgerufene Verschmieren des Tuning-Punktes (siehe Abb. 3). Bei zu starker Raumladung wird dieser Punkt zu groß und passt nicht mehr zwischen die verbotenen Q-Werte. Dadurch wiederum verliert man ständig Teilchen aus dem Strahl, bzw. der Strahl wird instabil. Abb. 4 – elektromagnetische Wechselwirkung zwischen zwei

bewegten Protonen: die Abstoßende Coulomb-Kraft dominiert, wird aber bei größeren Energien durch die induzierte, magnetische Kraft geschwächt. (Quelle: K. Schindl, Cern)

3 Übersicht über den Aufbau des LHC Abbildung 5 zeigt den LHC-Ring inklusive seiner Vorbeschleuniger. Nachdem die Protonen ihre Quelle (1) verlassen haben, werden sie zunächst von einem Radio Frequancy Quadrupole (RFQ) auf 750 keV beschleunigt und gelangen dann in einen Linearbeschleuniger (LINAC2), der ihnen zu 50 MeV verhilft. Vom LINAC2 werden die Protonen in den Proton Synchrotron Boost (PSB) geschossen, so dass im folgenden Proton Synchrotron (PS) bereits über 1,4 GeV verfügen und weiter auf 25 GeV beschleunigt werden können bevor sie den letzten Vorbeschleuniger, den Super Proton Synchrotron (SPS) erreichen. Dieser beschleunigt sie auf 450 GeV und übermittelt sie schließlich über zwei Transferlinien an den LHC, in dem schließlich bis zu 7 TeV erreicht werden. Abb. 5 – LHC-Ring mit Vorbeschleunigern. Die Grafik ist nicht maßstabsgetreu. (Quelle: www.cern.ch)

PSB (1,4 GeV)

PS 25 GeV

LHC 14 TeV SPS

450 GeV

Quelle + RFQ (750 keV)

LINAC2 (50 MeV)


4 Vorbeschleuniger

4.1 Protonenquelle Die für den LHC verwendete Protonenquelle ist eine so genante Duo-Plasma-Quelle. Wie in Abb. 7 zu sehen ist, wird der eingeleitete Wasserstoff kurz vor der Anode ionisiert. Das so erzeugte Protonenplasma gelangt dann in die zweite Plasmakammer (Expansion Cup) und von dort zu den Beschleunigern.

Abb. 6 – Protonenquelle des LHC. Der äußere Käfig dient zur Abschirmung der im Inneren anliegenden Hochspannung. Außen ist ein 1 zu 1 Modell inklusive Wasserstoffzufuhr angebracht. (Quelle: M. Benedikt, Cern) Abb. 7 – Aufbau der Protonenquelle. Wasserstoff wird mittels Elektronen ionisiert und die so gewonnen Protonen anschließend mit 90 kV aus der Quelle geschossen. (Quelle: M. Benedikt, Cern)

1 zu 1 Modell der

Quelle

Proton Output


4.2 Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Direkt an der Protonenquelle ist ein RFQ angeschlossen (siehe Abb. 8). Im Prinzip handelt es sich hierbei um einen kurzen Linearbeschleuniger, der allerdings nicht mithilfe von Magneten fokussiert, sondern elektrische Quadrupollinsen verwendet, um den Teilchenstrahl in Form zu halten. Die Protonen erreichen so, im 1,75 m langen RFQ, 750 keV. Dabei werden sie bereits durch die beschleunigende Frequenz von 200 MHz in Pakete geteilt.

Abb. 8 – Über den RFQ (Bildmitte) gelangen die Protonen von ihrer Quelle (links) in den LINAC2 (rote Röhre rechts). Die Grafik ganz rechts veranschaulicht die zur Fokussierung verwendeten, elektrischen Quadrupole. (Quelle: M. Benedikt, Cern)

4.3 LINAC2 Dem RFQ folgt der 30 m lange Linearbeschleuniger LINAC2, der die Protonen auf 50 MeV beschleunigt und mittels Quadrupolmagneten fokussiert. Wie beim RFQ beträgt die Frequenz der beschleunigenden, elektromagnetischen Wellen auch hier 200 MHz.

Abb. 9 – Im 30 m langen LINAC2 erreichen die Protonen 50 MeV. (Quelle: M. Benedikt, Cern)


4.4 Proton Synchrotron Booster (PSB) Aus dem LINAC2 werden die Protonen, in einem Muti-Turn-Verfahren, in den ersten Kreisbeschleuniger des LHCs geschossen, den PSB. Dabei wird die normierte Emittanz des LHCs bereits festgelegt. In den folgenden Beschleuniger reduziert sich aufgrund der höheren Energien zwar noch der Strahldurchmesser und die Emittanz, die normierte Emittanz bleibt aber konstant. Eine Besonderheit des PSB sind seine vier übereinander verlaufenden Strahlrohre, die den verfügbaren Umfang des Beschleunigers, bei konstantem Radius, vergrößern. Dadurch erreicht man zwar keine höheren Energien, kann aber mehr Teilchen pro PSB-Ladung aufnehmen. Um die angestrebte Emittanz des LHC zu erreichen musste die Strahlhelligkeit (Zahl der Protonen pro Paket dividiert durch die normierte Emittanz) im PSB um einen Faktor von 1,6 gesteigert werden. Ohne weitere Änderung hätte dies aber zu starker Raumladung und damit zur Defokussierung geführt. Daher halbierte man die Zahl der Pakete im PSB und befüllt den PS nun mit zwei, statt einer PSB-Füllung. Dazu mussten aber umfassende Hardware-Upgrades am PSB vorgenommen werden, dank denen der PSB nun aber in der Lage ist, die geforderte Protonenanzahl in 1,2 Sekunden auf 1,4 GeV zu beschleunigen.

Abb. 10 – Teil des PSB: grün = Dipol, orange = Quadrupol, blau = beschleunigende Kavität ganz rechts sind die vier übereinander liegenden Strahlrohre zu sehen (Quelle: M. Benedikt, Cern)


4.5 Proton Synchrotron (PS) Dem PSB folgt das PS, es beschleunigt die Protonen in 3,6 Sekunden auf 25 GeV. Dabei kommen Kombi-Magnete zum Einsatz, die den Strahl sowohl fokussieren als auch ablenken. Neben der Beschleunigung fällt dem PS eine weitere wichtige Aufgabe zu, es unterteilt die 6 Pakete, die es aus seinem Booster in zwei Schritten erhält, in 72 Stück. Diese sind dann 4 ns lang und folgen in 25 ns Abständen. Auch am PS mussten viele Hardware-Verbesserungen vorgenommen werden, damit es die LHC-Anforderungen erfüllen konnte.

Abb. 11 – Teil des PS mit seinen kombinierten Fokussier- und Ablenkmagneten (Quelle: M. Benedikt, Cern)

Abb. 12 – Erzeugung der 72 Pakete im PS: die 6 Pakete aus dem PSB werden bei 3,06 MHz übernommen, die dabei anliegende Spannung wird heruntergefahren und gleichzeitig ein dreimal so schnelles System (9,18 MHz) hochgefahren. Im Anschluss erfolgt die Beschleunigung auf 25 GeV, wobei die Frequenz auf 10 MHz angepasst wird. Dann wird die Frequenz zweimal auf 40 MHz verdoppelt, so dass man 72, 12 ns lange, Pakete erhält. Diese werden schließlich durch Erhöhung der Spannung auf 4 ns gekürzt. (Quelle: M. Benedikt, Cern)

72 Pakete je 12 ns lang EErrhhööhhuunngg ddeerr SSppaannnnuunngg

72 Pakete je 4 ns lang

HardwareUpgrades!


Wie man in Abb. 12 sehen kann, lässt der PS zwischen zwei Paketen eine Lücke von 320 statt 25 ns. Diese Pause wird benötigt, um den so genanten Kickermagneten (siehe Abb. 13) eine gewisse Zeit zu geben, hoch zu fahren um dann den Strahl aus seiner Bahn, in den nächsten Beschleuniger zu kicken.

Abb. 13 – SPS Kickermagnete in verschiedenen Einbaustadien (Quelle: P. Collier, Cern)

Abb. 14 – Verlauf der Magnetfeldstärke eines Kickermagnetens. Wichtig hierbei sind möglichst steile Flanken, sowie ein ebenes Plateau, da jede Unebenheit des Plateaus sich auf den gesamten Strahl auswirken und ihn zum Schlingern bringen kann. (Quelle: P. Collier, Cern)


4.6 Super Proton Synchrotron (SPS) Das SPS diente einst als Fixed Target Beschleuniger, wurde dann als Collider genutzt und beschleunigt mittlerweile den zukünftigen LHC-Strahl auf 450 GeV. Sein Umfang von 6912 Metern ist etwas länger als der des TeVatron (6283 m), dessen Leistung erreicht das SPS dennoch nicht, da seine fast 1000 Hauptmagnete auf normalleitenden Spulen basieren. Neben der Beschleunigung hat das SPS keine weiteren Aufgaben, das heißt es lässt die Paketstruktur des PS unverändert und erhält auch nur dessen normierte Emittanz. Abb. 15 – Teilabschnitt des SPS (Quelle: P. Collier, Cern) Im LHC-Betrieb ergeben 4 Füllung aus dem PS eine des SPS, also 288 Pakete. Eine LHC-Füllung ergibt sich dann wiederum aus 12 Füllungen des SPS. In Letzterem muss dabei mit hohen Stromdichten umgegangen werden, was auch beim SPS nur nach umfangreichen Umbauten möglich wurde. So wurde zum Beispiel, neben vielen anderen Komponenten, die 350 kW Kavität gegen eine mit 750 kW getauscht. Das Tuning wurde noch einmal optimiert und vieles unternommen, um die Impedanz zu reduzieren. Dazu wurden u.a. über 1000 so genante Shielding-Ports (Abb. 17) verbaut, dank denen der Strahl an den Vakuumpumpstationen jetzt ein kontinuierliches Strahlrohr sieht. Möglich war dieser Umbau nur in Verbindung mit dem kurzzeitigen Ausbau jedes zweiten Dipols. Abb. 15 – Die SPS-Befüllung erfolgt in 4 PS-Einschüssen, dann wird auf 450 GeV beschleunigt und schließlich der Strahl in den LHC weitergeleitet.

(Quelle: P. Collier, Cern)

Abb. 16 – Pumping-Port-Shield: über 1000 dieser Schilder wurden an den Vakuumpumpen-Stationen des SPS montiert. Sie sorgen dafür, dass der Teilchenstrahl ein kontinuierliches Rohr sieht, was die Impedanz reduziert und so den Strahl stabilisiert. (Quelle: P. Collier, Cern)


Ein weiteres Problem des SPS, was ebenfalls aus der hohen Teilchendichte resultiert und den Strahl destabilisiert, sind Elektronenwolken. Diese bilden sich, wenn Protonen aus dem Strahl gegen die Rohrwand stoßen und aus ihr dabei Elektronen heraus schlagen. Diese Elektronen treffen dann auch wieder auf die Wand und emittieren weitere Elektronen oder Photonen. Letztere können durch Photoeffekt oder Paarbildung zur Wolkenbildung beitragen. Wie man sich leicht vorstellen kann, verstärkt sich dieser Effekt, wie eine Lawine, von selbst. Glücklicherweise ebbt er aber auch mit der Zeit wieder ab, verschwindet aber nie ganz, so dass diese Wolken den SPS bis heute in seiner Intensität limitieren. Um den Strahl so intensiv und stabil wie möglich zu machen führt man heute so genannte „Schrubb-Läufe“ durch, jedes mal bevor der SPS als LHC-Vorbeschleuniger genutzt wird.

Abb. 17 – Elektronenwolkenbildung im SPS, ausgelöst von abgelenkten Protonen (Quelle: P. Collier, Cern)

4.7 Transferlinien Vom SPS bzw. den Vorbeschleuniger führen zwei Transferlinien (TL 2 und TL 8) zum LHC. Auf ihrer Gesamtlänge von 5,6 km sind etwa 700 Magnete verbaut. Während die TL8 für den LHC „nur“ komplett überarbeitet wurde, musste die TL2 neu gebaut werden. Aus diesem Grund wird sie auch erst 2007 in Betrieb genommen werden.

Abb. 18 – links: LHC-Übersicht mit TL2 & TL8; Mitte: TL8-Tunnel mit roten Dipolen und einem blauen Quadrupol; rechts: TL8-Tunnelquerschnitt, offenbar deutlich kleiner als die Beschleunigertunnel (Quelle: P. Collier, Cern)


Abb. 19a – Vorbereitung eines Kavitätenmoduls im Reinraum

5 Der LHC-Ring

5.1 Kavitäten und Beschleunigung Die Beschleunigung der Protonen erfolgt im LHC durch supraleitende Kavitäten, das heißt die Proton werden durch elektromagnetische Wellen beschleunigt. Die Form der Kavität wird dabei so abgestimmt, dass die Frequenz der elektromagnetischen Wellen zu Resonanz führt und die Welle somit verstärkt wird. Erzeugt und moduliert werden die Wellen, bevor sie in die Kavität eingekoppelt werden, mithilfe von Klystrons. Ein LHC-Beschleunigungsmodul setzt sich aus jeweils vier Kavitäten zusammen. Damit ist pro Umlauf und Elektron ein Energiezuwachs von 485 keV möglich.

Abb. 19b – Einbau der Kavitäten in ein Modul

Abb. 19c – vollständiges Modul mit vier Kavitäten Abb. 19d – Isolationsarbeiten an einem Modul

(Quelle: www.cern.ch)


5.2 Strahlführung und Strahlfokussierung Grob kann man sagen, dass die Strahlführung des LHC durch Dipol- und die Fokussierung durch Quadrupolmagnete erfolgt. Von diesen supraleitenden Hauptmagneten wurden rund 2000 Stück verbaut. Dazu kommen etwa 6000 Korrekturmagnete höherer Ordnungen. Insgesamt machen supraleitenden Magnete über 23 der 26,6 km Umfang des LHCs aus.

5.2.1 LHC-Dipolmagnete Die LHC-Dipole bestehen im Wesentlichen aus supraleitenden Spulen mit Vakuumkern. Die Dipolstruktur wird u.a. durch das Einbringen von Kupferkeilen angenährt. Dabei muss, wie bei fast allen Komponenten der Magnete, sehr genau gearbeitet werden. Beispielsweise die Kupferkeile dürfen nur Abweichung von ±20 µm aufweisen, aber auch die elektrische Kunststoffisolation der Spulen musste mit 3% Genauigkeit fabriziert werden, da sich sonst zu große thermische Potentiale ergeben können.

Abb. 20 – Gesamtansicht der Dipolspulen, nicht Maßstabsgetreu (Quelle: www.cern.ch)

Innerhalb der Spulen wird das Strahlrohr von einem Mantelumgeben. Dieser dient als elektrischer Isolator, wobei sein Abstand von den Spulen auf der Länge der Dipole von 15 m konstant etwa 0.5 mm beträgt. Außerdem nutzt man ihn um Elektronenwolken zu unterdrücken. Dazu hat man das Strahlrohr selbst perforiert, so dass herausgeschlagene Teilchen jetzt das Strahlrohr verlassen können und am Mantel festfrieren. Aufgrund der beiden Strahlrohre des LHCs besteht jeder Dipolmagnet aus zwei parallelen Dipolen, die mithilfe von Edelstahlklammern zusammengehalten werden. Da sie nicht als Rückflussjoch dienen, koppeln sie die beiden Magnete nicht nur mechanisch, sondern auch magnetisch. Aus diesem Grund spricht man bei dieser Bauweise auch vom Zwillingsprinzip. Auf die Edelstahlklammer setzt man eine Eisenspange, welche höhere, ungewollte Ordnungen der Magnetfelder unterdrückt und ummantelt den Zwillingsmagneten dann mit Eisenklammern, welche die Funktion des Rückflussjoch übernehmen. Dabei verwendet man zu den Enden der Magnete hin immer mehr edelstahlbeschichtete Klammern, um das Magnetfeld kontrolliert abfallen zu lassen.


Innerhalb der Eisenklammern verläuft eine Heliumleitung, durch die das flüssige Kühlmittel transportiert wird. Außerdem befinden sich in den Rand der Klammer eingebettet, verschiedene Busse mit denen die Magnete verbunden sind. Umgeben wird die Dipolkonstruktion von einer inneren, kalten Hülle. Auch deren Produktion gestaltete sich, wegen der großen benötigten Stückzahl und der gleichzeitig geringen Fertigungstolleranzen, schwieriger als man zunächst vielleicht erwarten würde. Auch die Montage der Magneten auf ihren Standfüßen musste sehr präzise vorgenommen werden, weshalb man hier ein Lasermessjustagesystem verwendete.

Abb. 21 – Querschnitt eines Zwilling-Dipols (Quelle: www.cern.ch)

Abb. 22 – Querschnitt des Strahlrohrs inklusive Mantel. Aus dem Strahlrohr gelöste Teilchen können durch Löcher entweichen und frieren am Mantel fest. (Quelle: L. Feld, RWTH)

Strahlrohr

supraleitende Spulen

Edelstahlklammer

Eisenspange

Eisenklammer/ Rückflussjoch

Buss-System

kalte Hülle

Strahlrohrmantel

kalter Standfuss

Kühlmittel- / Helium-Leitung


Abb. 23 – Querschnitt des Strahlrohrs mit maßstabsgetreuem Strahl (Quelle: R. Schmidt, Cern)

Abb. 24 – Gesamtübersicht über einen LHC-Dipolmagneten, Gesamtlänge: 15 m (Quelle www.cern.ch)

Beam ± 3 sigma

± 3σ (1.3 mm)

56.0 mm


5.2.2 LHC-Quadrupolmagnete Die Quadrupole des LHC ähneln im Aufbau den Dipolen. Wie man aber in Abb. 25 sehen kann gibt es, neben der selbstverständlichen verschiedenen Spulenanordnung, noch ein paar weitere Unterschiede. So werden die zwei Magnete der beiden Strahlrohre nicht etwa von einer gemeinsamen Klammer zusammengehalten, sondern sind einzeln mit Edelstahlringen ummantelt. Des Weiteren verläuft das metallene Rückflussjoch der Quadrupole auch zwischen den Magenten, wodurch deren Magnetfelder getrennt werden. Magnete dieser Bauweise sind leichter zu handhaben als Zwillingsmagnete, die Dipole wären aber zu groß geworden, hätte man sie so gebaut. Es sei noch daraufhin gewiesen, dass am LHC neben den Hauptquadrupolen noch weitere Quadrupole zum Einsatz kommen. Sie unterscheiden sich in der Magnetfeldstärke, der Winklung und der Arbeitstemperatur, dienen aber alle der Strahlfokussierung. Abb. 25 – Querschnitt eines LHC-Quadrupolmagnetens. Anders als bei den Zwillingsdipolen sind die beiden Magneten mechanisch und magnetisch entkoppelt. (Quelle: www.cern.ch)


5.2.3 Quenchen Überschreitet ein Supraleiter einen seiner kritischen Werte, z.B. die kritische Temperatur, wird er normalleitend. Man sagt auch er quencht. In den supraleitenden LHC-Komponenten, insbesondere den Magneten, ist dieser Effekt natürlich sehr unerwünscht, da Quenchen dort zu einer dramatischen, lokalen Temperatursteigerung führen kann, die den Magneten beschädigen würde. Im schlimmsten Fall könnte die gesamte Energie, die in einer Spule gespeichert ist, in Wärme umgesetzt werden. Abb. 26 – Kritische Temperatur, kritisches Magnetfeld und kritischer Strom des in den Magneten verwendeten Supraleiters Niob-Titan. Außerhalb des schraffierten Bereichs kommt es zum Quenchen. (Quelle: L. Feld, RWTH) Besonders problematisch ist, dass bereits Schwankungen im mJ-Bereich einen Quench auslösen können. Mögliche Ursachen wären z.B. in den supraleitenden Kabeln induzierte Kreisströme. Zu der, für die Induktion benötigte, Änderung des magnetischen Flusses kann es wiederum durch das Rauf- bzw. Runterfahren eines Magneten kommen, oder durch Bewegung des Supraleiters auf µm-Skala, etwa wegen thermischer Spannungen. Alternativ könnte auch in den Spulen unabsichtlich deponierte Strahlenergie einen Quench verursachen oder ein Fehler im Kühlsystem. Festzuhalten ist, dass man mit Quenchen, gerade beim Rauf- und Runterfahren der Anlage, rechnen und daher auch in der Lage sein muss entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Diese bestehen zunächst darin, einen Quench zu detektieren. Geschieht dies wird innerhalb der ersten 200 ms nach dem Auftreten des Quench, der Strom des betroffenen Magneten abgestellt und über eine Bypassdiode umgeleitet. Außerdem wird der Magnet mithilfe von Quench Heatern (0,1 µm dicke Kupfer-Stahl-Schicht auf der Spule) geheizt, so dass sich die thermische Energie im Magneten verteilt, anstatt sich lokal zu konzentrieren. Des Weiteren steigt durch das Heizen die Wärmekapazität der Spule, sprich die Temperatur steigt langsamer.

B

I

T


6 Das Kühlsystem Wie im letzten Abschnitt über Quenchen angedeutet wurde, ist das Kühlsystem des LHC sehr wichtig, insbesondere um die Supraleitfähigkeit der Magnete zu ermöglichen und zu erhalten. Dazu müssen insgesamt etwa 4600 t auf 1,9 K gekühlt werden und über 8000 Magnete auch im Betrieb unter 1,9 K gehalten werden. Darüber hinaus wurde das Kühlsystem so angelegt, dass Abkühl- bzw. Aufwärmphase nicht länger dauern als 2 Wochen und auch einzelne Bereiche des Beschleunigers auf- und wieder abgekühlt werden können, etwa für Reparaturen. Erschwert wurde die Realisierung der gewünschten Kühlung durch den Umstand, dass der LHC unterirdisch angelegt ist und somit der Zugang nicht beliebig möglich ist. Außerdem musste die 1,4 % Steigung berücksichtigt werden, die der LHC-Ring überwindet. Durch sie muss das Kühlmittel z.T. mit und z.T. gegen die Gravitation gepumpt werden, was problematisch ist, da die Temperatur des verwendeten Heliums stark vom Druck abhängt. Hinzu kommt, dass auch während des Aufwärmens bzw. Abkühlens die Temperatur innerhalb eines der 15 Meter langen Magnete nicht um mehr als 75 K variieren darf.

6.1 Das Kühlmittel Zur Kühlung des LHCs wird Helium genutzt, welches nicht nur unter seinen Siedepunkt bei 4,2 K gekühlt wird, sondern auf 1,9 bis 1,8 K und damit unter den Lambdapunkt, der bei 2,18 K liegt. Unterhalb dieser Temperatur bezeichnet man Helium auch als Helium II, welches suprafluid ist und eine 106 mal größere Wärmeleitfähigkeit besitzt, als normales Helium. Abb. 27 – Versorgung des LHC-Rings mit Kühlmittel He II erfolgt von 8 Station aus. (Quelle: Ph. Lebrun, Cern)


Versorgt mit He II wird der Ring von acht Verflüssigungsstationen, die wie in Abb. 27 angeordnet sind. Die Magnete selbst sind mit ruhendem Helium II umgeben, das die Wärme aufnimmt und sie über eine Leitung, durch die He II fließt, abführt (siehe Abb. 30).

Abb. 28 – Erwartete Temperaturen im Ring, abhängig vom Abstand zur Kühlstation (Quelle: Ph. Lebrun, Cern)

Abb. 29 – Schematischer Aufbau einer der acht Helium-Verflüssigungsanlagen (Quelle: Ph. Lebrun, Cern)

Abb. 30 – Schematische Darstellung der Magnetkühlung mit He II (Quelle: Ph. Lebrun, Cern)


6.2 Thermische Isolierung Um möglichst wenig Wärme aus der Umgebung aufzunehmen werden die Magnete thermisch isoliert. Dazu verwendet man in erster Linie Aluminium (in mehreren Schichten) und Vakuum.

Abb. 31a – Aluminiumauflage für Dipol Abb. 31b – weitere Isolationsschichten

Abb. 31c – fester Mantel aus Aluminium Abb. 31d – Vakuumröhre aus Karbon und Stahl



7 Energie im LHC Bei einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV sind im LHC pro Teilchenstrahl 346 MJ gespeichert, in Dipolmagneten sogar 9,4 GJ. Insgesamt speichert der LHC über 10 GJ, eine Energiemenge, die ausreicht um 12 t Kupfer zu schmelzen oder 35 Tonnen auf 28 km Höhe zu heben. Auf der anderen Seite muss man bedenken, dass bereits Schwankungen im mJ-Bereich kontrolliert werden müssen, um etwa das Quenchen eines Magneten zu verhindern oder abzufangen. Von der Gefährlichkeit des LHC-Strahls hat man sich bereits mithilfe des SPS überzeugt, sowohl gewollt, als auch ungewollt (siehe Abb. 32 und 33).

Abb. 32 - Einschlagstest in Zinkplatte: mittleres Loch entspricht 72 Paketen bei 450 GeV (Quelle: P. Collier, Cern)

Abb. 33 – Unfall: 4 x 72 Pakete bei 450 GeV schlitzten Vakuumkammer eines QP auf (Quelle: P. Collier, Cern) Nach 10 Stunden ist die Luminosität auf etwa 1/3 ihres Ausgangswertes gefallen, der Strahlstrom nimmt in dieser Zeit aber kaum ab und pro Strahl sind immer noch 200 bis 300 MJ gespeichert. Dementsprechend muss man den Strahl nach dem er für Experimente nicht mehr gut geeignet ist, kontrolliert entsorgen. Dazu verwendet man einen so genannten Dumper (siehe Abb. 34), welcher im Prinzip ein Betonklotz mit einem etwa 8 Meter langen Graphitkern ist.

Abb. 34 – schematischer Aufbau eines Dumpers (Quelle: L. Bruno, Cern)


Mindestens genauso wichtig wie die Entsorgung des Strahls ist seine Reinigung bzw. die Kollimatoren, mit deren Hilfe dies geschieht. Sie filtern 99,9 % der Protonen aus dem Strahl, die sonst unkontrolliert in Wänden und Magneten deponiert würden. Dabei werden an das Kollimatormaterial sehr hohe Anforderungen gestellt, da es viel Energie aufnehmen muss und gleichzeitig möglichst gut zu handhaben sein sollte. Wahrscheinlich werden auch die Kollimatoren den LHC in seiner Intensität limitieren, weshalb man noch immer auf der Suche nach dem optimalen Kollimatormaterial ist.

Abb. 35 – oben: Kollimator mit 4,0 mm Öffnung

unten: Simulation des Einschlags von 20 Paketen bei 7 TeV, die Farben symbolisieren verschiedene Temperaturen. Bei Beryllium entspricht Rot 500 °C, bei Graphit 1500 °C und übersteigt bei praktisch allen Metallen deren Schmelztemperatur (Quelle: R. Schmidt, Cern)

Strahlachse

P.Sievers / A.Ferrari / V.Vlachoudis

Strahl ± 3σ

56,0 mm

1 mm

± 8σ = 4,0 mm


8 Technische Realisierung Wie im Kapitel über die Magnete angedeutet, gibt es beim Bau des LHC sehr viele technische Probleme, deren Lösungen oft nicht so einfach waren, wie man zunächst vermuten könnte. Hier seien nur kurz noch einmal ein paar eindrucksvolle Daten erwähnt. Allein wegen der Magnete wurden 50000 t Material im Tunnel verbaut und 150000 t durch Europa gefahren. Entsprechend aufwendig gestallte sich die Logistik und Verwaltung. Viele Teile (Rohre, Spulen usw.) mussten aufgrund der benötigten Stückzahlen industriell gefertigt werden. Dabei waren die Produktionstoleranzen allerdings so gering, dass viele neue Verfahren und Geräte, zusammen mit der Industrie, entwickelt werden mussten.

Abb. 36 – Dipolhülle beim Transport Abb. 37 – Cern-Luftaufnahme, die blauen Striche

sind ein Teil des Magnethüllenvorrats

Abb. 38 – speziell entwickelte Anlage zum Abb. 39 – Roboter für den zerstörungsfreien Transport Schweißen der Dipole, musste spätere empfindlicher Komponenten, wie z.B. der Dipole Röntgenkontrolle überflüssig machen



9 Aktueller Entwicklungsstand Der LHC-Strahl-Betrieb wird aller Voraussicht nach im Oktober oder November 2007 aufgenommen werden. Dann sind zunächst noch zwei Monate, mit Kalibrierungsläufen bei 450 GeV, geplant und dementsprechend beginnt die Beschleunigung auf 7 TeV im Januar/ Februar 2008.

10 Zusammenfassung Der LHC wird mit 14 TeV Schwerpunktsenergie 7 mal größere Energien zur Verfügung stellen, als der bisher stärkste Beschleuniger und gleichzeitig dessen Luminosität um den Faktor 200 übertreffen, so dass das Higgs-Teilchen, falls es existiert, am LHC nachgewiesen werden kann. Um die hohen Anforderungen des LHCs an seine Vorbeschleuniger zu erfüllen, mussten an diesen umfassende Umbauten vorgenommen werden. Insgesamt trifft man am LHC überall auf weltweite Superlative (z.B. Größe, Magnete, Kühlung, Logistik…), was mit dazu geführt hat, dass die Entwicklung und Erforschung neuer Techniken in enger Zusammenarbeit mit der Industrie vorangetrieben wurden. Die pro Teilchenstrahl gespeicherte Energie wird aufgrund der Kollimatoren der limitierende Faktor des LHCs bezüglich der Strahlintensität werden. Was dennoch beim Energiemanagement geleistet wird, wird klar wenn man sich vor Augen führt, dass insgesamt über 10 GJ bis auf einige mJ beherrscht werden müssen. Die aktuelle Planung sieht vor, dass mit LHC-Kalibrierungen im November/ Oktober 2007 begonnen wird, so dass nach ein paar Monaten, die zur Kalibrierung benötigt werden, der 14 TeV Betrieb aufgenommen werden kann. Voraussichtlich also Anfang 2008.

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