Der LHC Beschleuniger: Technologie an der Grenze des Machbaren
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Der LHC Beschleuniger:
Technologie an der Grenze
des Machbaren
Rüdiger Schmidt - CERN
Berlin Oktober 2008
Energie und Kollisionsrate
Der relativistische Hammerwerfer
Technologie und Komplexität
Gespeicherte Energie
Inbetriebnahme
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 3
Energie und Kollisionsrate
z Die Teilchenphysik braucht Kollisionen von Protonen
(Wasserstoffkerne) mit einer Energie weit oberhalb von
1TeV (1012 eV = 1Million • 1Million eV)
• In einer Fernsehröhre werden Elektronen auf etwa 15000 eV beschleunigt
z Um seltene Ereignisse zu beobachten, sollte die
Kollisionsrate bei 109 / Sekunde pro Experiment liegen
z Außerdem sollen Schwerionenstrahlen (z.B. Blei)
kollidieren
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 4
LEP e+e-
(1989-2000)
Schweiz
Tunnel mit einem Genfer See
Umfang von
26.8 km
LHC Beschleuniger
(etwa 100m unter der Erde)
LHC Entwicklung
seit den 80er
Jahren LHCb
CMS
Offizieller
Projektstart 1995
CERN
Installation Prevessin
zwischen 2003
und 2008 ALICE SPS
Protonenstrahlen Beschleuniger
kollidieren in vier
Punkten ATLAS
Frankreich CERN
Hauptgelände
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 5
Der relativistische Hammerwerfer
Die Protonen werden auf die Energie von 7 TeV beschleunigt
….und mit starken Magnetfeldern auf einer Kreisbahn gehalten
Energie
7 TeV
20 min
450 GeV
Zeit
Zur Beschleunigung laufen die Protonen etwa 7 Millionen mal um, und werden
bei jedem Umlauf mit einer Spannung von etwa 1 Millionen Volt beschleunigt
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 6
Für die Kreisbahn braucht es 1232 supraleitende
Ablenkmagnete bei 1.9 K, jeweils 15 m lang
ausserdem viele andere Magnete, um
die Teilchen für viele Stunden stabil auf
der Bahn zu halten (1700 Hauptmagnete
und etwa 8000 Korrekturmagnete)
Quadrupolmagnet
Querschnitt eines Dipol / Ablenkmagneten in
der Ausstellung
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 7
Ablenkmagnete werden in den Tunnel abgesenkt
März 2005 - April 2007
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 8
“Einfang“ von Surfern durch eine Welle zur
Beschleunigung
siehe Ausstellung: Salatschüsselbeschleuniger
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 9 9
Für die Beschleunigung braucht man hohe
Spannungen, die durch Radiowellen erzeugt werden
16 supraleitende Hochfrequenzeinheiten
mit 16 Millionen Volt R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 10
Beispiele
technologischer
Herausforderungen
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 11
Magnete und Kühlung
z Supraleitende Magnete mit hohem Feld (8.3 Tesla) in
superflüssigem Helium bei 1.9 K (entspricht -271 0C und hat eine
extrem hohe Wärmeleitfähigkeit) auf einer Länge von etwa 20 km
kälter als anderswo
im Universum
z Kälteanlage zur Kühlung bei 1.9 K, 4.5 K und höheren
Temperaturen
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 12Komplexität des Beschleunigers
18 von etwa 1600 Stromzuführungen mit
Hochtemperatursupraleitern für ~10000
Magnete und ~1700 elektrische Kreise
mit hohem Strom, der mit einer Präzision
vom ~1/1000000 geregelt wird
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 13Verbindung zwischen zwei Hauptmagneten
(insgesamt gibt es 1700 solcher Verbindungen)
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 14Vakuumsysteme
z Ultrahochvakuum für Strahlrohr
z Isoliervakuum für die Kryostaten
Strahlrohr mit Innenschirm
56.0 mm
weniger Atome
pro Volumen als
auf der
Mondoberfläche
Teilchenstrahl ~1.3 mm
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 15Viele Kollisionen brauchen viele Teilchen und
kleine Strahlen
In jedem Strahl etwa 3000 Teilchenpakete
mit je 100 Milliarden Protonen und ein
Strahldurchmesser von etwa 40 μm am
Kollisionspunkt im Detektor (dünner als
ein Menschenhaar)
Experiment
40 μm
~40 m
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 16Energie im Strahl
Energie eines Protons
bis zu 7 TeV = 7000000000000 eV
Energie in Strahl
7000000000000 eV • 3000 • 100 Milliarden = 350 MJoule
360 MJoule: Die kinetische
Energie in einem 200 m langen
ICE bei 150 km/h entspricht der
Energie von 350 MJoule in einem
Strahl
8 Liter Benzin 15 kg Schokolade
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 17Energie im Magnetsystem
Im Magnetsystem ist
eine Energie von
etwa 10 GJoule
gespeichert
10 GJoule: die Energie eines
A380 bei 700 km/hour entspricht
der Energie, die im LHC
Magnetsystem gespeichert ist
system:
damit könnte man 12 Tonnen
Kupfer zum schmelzen bringen !!
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 18Erster Strahlbetrieb:
vom ersten Umlauf zum gespeicherten Strahl
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 19Einschuss und erster Dump
Umlauf eines IR5:CMS Blöcke
Teilchenpakets
IR4: Hochfrequenz IR6: Extraktion der
und Instrumentierung Stahlen
IR3: Kollimatoren IR7: Kollimatoren
IR8: LHC-B
IR2:ALICE
acht Bögen
acht lange gerade Strecken
(jeweils etwa 700m lang) IR1: ATLAS
Injektion Injektion
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 20Einschuss und erster Dump
Umlauf eines IR5:CMS Blöcke
Teilchenpakets
IR4: Hochfrequenz IR6: Extraktion der
und Instrumentierung Stahlen
IR3: Kollimatoren IR7: Kollimatoren
IR8: LHC-B
IR2:ALICE
acht Bögen
acht lange gerade Strecken
(jeweils etwa 700m lang) IR1: ATLAS
Injektion Injektion
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 21Einfang eines Pakets mit vielen Teilchen im
elektromagnetischen Feld – der Strahl wurde für
Stunden gespeichert
etwa 100
Umläufe
einzelner
Umlauf
Courtesy E. Ciapala R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 22 22Kontinuierlicher Fortschritt? ….. leider unrealistisch
z The LHC ist eine Anlage von extremer Komplexität
z Die Technologie ist an der Grenze des Machbaren
z Der LHC ist sein eigener Prototyp
z Diverse Probleme wurden während Entwicklung und Bau gelöst:
Ablenkmagnete, Heliumverteilerlinie, Kollimatoren,
Fokussiermagnete für Experimente, Hochfrequenzfinger (PiMS), …
19 September, 10 Tage nach erstem Strahlbetrieb: Aufreissen einer
supraleitenden Verbindung zwischen zwei Ablenkmagneten bei
Standardtests bei einem Strom von 9 kA
• Aufwendige Reparatur
• Der Schaden ist auf einen kleinen Bereich des LHC begrenzt
• Arbeiten zur zukünftigen Vermeidung eines solchen Vorfall
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 23Aufreissen der Verbindung zwischen
Hauptverbindung
12 kA Verbindung
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 24Zusammenfassung
z Erster Strahlbetrieb: äußerst unproblematisch
z Der LHC verhält sich mit Strahl äußerst "gutmütig"
z Sorgfältige Inbetriebnahme der technischen Systems während
zwei Jahren
z Geplanter Strahlbetrieb im nächsten Frühjahr / Sommer
z Langsames Hinarbeiten zu nominalen Parametern
Es wurde häufig gesagt, dass beim LHC Kontraste wie das ganz
Grosse und das ganz Kleine dicht beieinander liegen
….das lässt sich sicher auch für die Emotionen sagen,
Begeisterung beim Einschalten, und Enttäuschung am 19.9.
Erfolg nicht durch Abwesenheit von Problemen, sondern weil
Probleme identifiziert und mit kompetenten und motivierten
Mitarbeitern gelöst werden
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 25Danksagung
Der LHC Beschleuniger wurde vom CERN während einer
Dauer von über 20 Jahren mit der Unterstützung der CERN
Mitgliedsstaaten gebaut
Ausserdem gab es eine intensive Zusammenarbeit mit Labors
aus vielen Ländern, z.B. die USA, Japan, Russland, Indien,
Kanada, ausserdem Frankreich und Schweiz
Die Industrie spielte bei dem Projekt eine wichtige Rolle
Danke für Material von:
R.Assmann, R.Bailey, E.Ciapala, L.Evans, Ph.Lebrun und anderen
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 26Reserve
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 27Aufreissen einer
Dump
Starkstromverbindung IR5:CMS Blöcke
und Lichtbogen
Austritt von Helium
ins Isoliervakuum IR4: Hochfrequenz IR6: Extraktion der
und Instrumentierung Stahlen
Überdruck im
Isoliervakuum
Verschiebung von
Magneten und
Schäden in den IR3: Kollimatoren IR7: Kollimatoren
Verbindungen
Austritt von Helium in
den Tunnel
Kein Risiko für
Personen
IR8: LHC-B
IR2:ALICE
Aufwendige
Reparatur
IR1: ATLAS
Vermeidung einer
Wiederholung eines Injektion Injektion
solchen Fehlers R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 28…….und ohne elektromagnetisches Feld
etwa 100
Umläufe
einzelner
Umlauf
Courtesy E. Ciapala R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 29 29Energie im Strahl und im Magnetsystem
LHC
10000.00
energy in
magnets
1000.00
Energy stored in the beam [MJ]
LHC top
energy
LHC injection
100.00 (12 SPS batches)
Factor
~200
SPS fixed
10.00 ISR target HERA
SPS batch to TEVATRON
1.00 LHC
RHIC
0.10 LEP2 proton
SNS SPS
ppbar
0.01
1 10 100 1000 10000
Momentum [GeV/c]
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 30Magnettemperatur in 3 km langem Sektor
-271 0C
3.3 km
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 31Erster Umlauf eines Strahls am 10 September
2008
Strahlrichtung
horizontale
Strahlabweichung ±10 mm
vertikale
Strahlabweichung ±10 mm
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 32 32Quench - transition from superconducting
state to normalconducting state
Quenches are initiated by an energy in the order of mJ (corresponds
to the energy of 1000 protons at 7 TeV)
z Movement of the superconductor by several μm (friction and heat
dissipation)
z Beam losses
z Failure in cooling
To limit the temperature increase after a quench (in 1s to 5000 K)
z The quench has to be detected
z The energy is distributed in the magnet by force-quenching the coils
using quench heaters
z The magnet current has to be switched off withinH wire scan
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 34 34Current leads with High Temperature
Superconductors at an industrial scalce
Feedboxes (‘DFB’) : transition from copper cable to super-conductor
Water cooled Cu cables
35
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 3556.0 mm
Collimators at
7 TeV, squeezed
optics
1 mm
R.Assmanns
EURO
+/- 8 sigma
= 4.0 mm
Beam +/- 3 sigma
Example: Setting of collimators at 7 TeV - with luminosity optics
Beam must always touch collimators first !
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 36Der LHC ein 26 km langer Beschleuniger etwa 100 m
unter der Erde
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 37Situation on 10th September
7 out of 8 sectors fully commissioned for 5
TeV operation and 1 sector (3-4)
commissioned up to 1 TeV.
Lyn Evans – EDMS document no. 970483 38Lyn Evans – EDMS document no. 970483 39
Beam on turns 1 and 2 Lyn Evans – EDMS document no. 970483 Courtesy R. Bailey 40
Fast BCT Lyn Evans – EDMS document no. 970483 41
Dump dilution sweep Lyn Evans – EDMS document no. 970483 42
No RF, debunching in ~ 25*10 turns, i.e.
roughly 25 mS
Courtesy E. Ciapala Lyn Evans – EDMS document no. 970483 43First attempt at capture, at exactly the wrong
injection phase…
Courtesy E. Ciapala Lyn Evans – EDMS document no. 970483 44Capture with corrected injection phasing Courtesy E. Ciapala Lyn Evans – EDMS document no. 970483 45
LHC longitudinal bunch profile Beam 2
Lyn Evans – EDMS document no. 970483 46Integer tunes Lyn Evans – EDMS document no. 970483 Courtesy R. Bailey 47
Tune measurements Lyn Evans – EDMS document no. 970483 Courtesy R. Bailey 48
Fractional tune spectrum H & V (Beam2) –
closest Q approach ~ 0.06 due to coupling
Lyn Evans – EDMS document no. 970483 49Corrected closed orbit on B2.
Energy offset of ~ -0.9 permill due to the capture frequency.
Courtesy J. Wenninger Lyn Evans – EDMS document no. 970483 50Kick response compared with theoretical optics
Lyn Evans – EDMS document no. 970483 51Beam 1 H dispersion on first turn
Injection to beam dump
Courtesy J. Wenninger Lyn Evans – EDMS document no. 970483 52Transformer failure
At 23:30 on Friday a 12 MVA transformer at Point 8 failed.
There is no spare unit but CMS has 2 similar transformers
and a lot of over-capacity.
The cryogenics at point 8 (7-8 and 8-1) was lost.
The CMS transformer was installed on Saturday and Sunday.
Lyn Evans – EDMS document no. 970483 53Incident on 19th September
During commissioning of the last main bend circuit to 5 TeV
an incident occurred resulting in the triggering of quench
heaters of about 100 magnets and a large He discharge into
the tunnel.
The most probable cause is a faulty electrical connection
between two magnets. The sector is being brought to room
temperature for repair.
The time needed for warmup, repair and cooldown precludes
a restart before CERN’s obligatory winter shutdown.
The shutdown schedule is being modified to gain ~ 1 month
of LHC operation in 2009.
Lyn Evans – EDMS document no. 970483 54LHC: From first ideas to realisation
1982 : First studies for the LHC project
1983 : Z0 detected at SPS proton antiproton collider
1985 : Nobel Price for S. van der Meer and C. Rubbia
1989 : Start of LEP operation (Z-factory)
1994 : Approval of the LHC by the CERN Council
1996 : Final decision to start the LHC construction
1996 : LEP operation at 100 GeV (W-factory)
2000 : End of LEP operation and removal of LEP equipment
2003 : Start of the LHC installation
2005 : Start of hardware commissioning
2007 : Installation of superconducting magnets finished
2008 : Beam commissioning and first collisions planned
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 55Lorentz force on a charged particle:
acceleration
The force on a charged particle is proportional to the charge,
the electric field, and the vector product of velocity and
magnetic field:
r r r r
F = q ⋅ (E + v × B)
z
• Electric field about 10 MV
s
E
FE v
x
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 56Lorentz force on a charged particle:
acceleration and deflection
The force on a charged particle is proportional to the charge,
the electric field, and the vector product of velocity and
magnetic field:
r r r r p
F = q ⋅ (E + v × B) B = e 0 ⋅ R
z
• Electric field about 10 MV
s
• Momentum 7000 GeV/c
B
• Radius 2805 m
v
• Magnetic field B = 8.3 Tesla
• Superconducting magnets required
FB operating at 1.9 K
• Deflecting magnetic fields for two
x beams in opposite directions
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 57R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 58
Operating temperature of NbTi superconductors
J [kA/mm2] The superconducting state only
J [kA/mm2] occurs in a limited domain of
temperature, magnetic field and
transport current density
Superconducting magnets
produce high field with high
current density
Lowering the temperature
enables better usage of the
superconductor, by broadening
its working range
LHC dipole magnets operate in
helium at a temperature of 1.9 K
T [K]
Outside the domain the magnet
quenches – mJ are sufficient to
B [T] locally heat the superconductor
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 59CERN: leading European
institute for Particle Physics,
started 1954 with 2600 staff
and 6800 users
Close to Geneva across the
French-Swiss border
20 member states,
~7 observers (e.g. USA),
many others participating LEP /
LHC
The U.S. LHC Accelerator Research Program (LARP) is a collaboration of BNL, FNAL,
LBNL, and SLAC, working with CERN to address aR.Schmidt
variety- Ausstellung
of issues. Weltmaschine 60….vom ersten Umlauf zu vielen Umläufen Courtesy R. Bailey R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 61 61
Der relativistische Hammerwerfer
Die Protonen werden auf die Energie von 7 TeV beschleunigt
….und mit starken Magnetfeldern auf einer Kreisbahn gehalten
Energie
7 TeV
20 min
450 GeV
Zeit
Zur Beschleunigung laufen die Protonen etwa 7 Millionen mal um, und werden
bei jedem Umlauf mit einer Spannung von etwa 1 Millionen Volt beschleunigt
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 62Energie und Kollisionsrate
z Die Teilchenphysik braucht Kollisionen von Protonen
(Wasserstoffkerne) mit einer Energie weit oberhalb von
1TeV (1012 eV = 1Million • 1Million eV)
• In einer Fernsehröhre werden Elektronen auf etwa 15000 eV beschleunigt
z Um seltene Ereignisse zu beobachten, sollte die Kollisionsrate
bei 109 / Sekunde pro Experiment liegen
z Außerdem sollen Schwerionenstrahlen kollidieren
Kollisionsrate = Luminosität • Wirkungsquerschnitt
(Der totale Wirkungsquerschnitt entspricht –anschaulich- der
Querschnittsfläche eines Proton)
R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 63Sie können auch lesen
