LHC-Beschleuniger Ausarbeitung des Vortrags - Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien
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Ausarbeitung des Vortrags
LHC-Beschleuniger
aus der Reihe
Hadron-Kollider-Experimente
bei sehr hohen Energien
von Jan Sammet
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
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -2-
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) LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -3-
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.
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -4-
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.
LHC
14 TeV SPS
450 GeV
PSB
(1,4 GeV)
PS
LINAC2
25 GeV
(50 MeV)
Quelle + RFQ
(750 keV)
Abb. 5 – LHC-Ring mit Vorbeschleunigern. Die Grafik ist nicht maßstabsgetreu. (Quelle: www.cern.ch)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -5-
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.
1 zu 1
Modell der
Quelle
Proton
Output
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -6-
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -7-
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -8-
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)
72 Pakete 72 Pakete
Erhöhung der Spannung
je 12 ns lang je 4 ns lang
Hardware
Upgrades!
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -9-
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -10-4.6 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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -11-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) LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -12-
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. 19a – Vorbereitung eines Kavitätenmoduls im Reinraum 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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -13-5.2 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.
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -14-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.
Kühlmittel- /
Eisenspange Helium-Leitung
Strahlrohr
Buss-System
Strahlrohrmantel
Eisenklammer/
Rückflussjoch
supraleitende
Spulen
kalte Hülle
Edelstahlklammer
kalter Standfuss
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -15-56.0 mm
± 3σ
(1.3 mm)
Beam ± 3 sigma
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -16-5.2.2 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) LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -17-
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.
I
T
B
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.
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -18-6 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) LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -19-
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -20-6.2 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
(Quelle: www.cern.ch)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -21-7 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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -22-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.
56,0 mm
1 mm
± 8σ = 4,0 mm
Strahl ± 3σ
P.Sievers / A.Ferrari /
V.Vlachoudis
Strahlachse
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)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -23-8 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
(Quelle: www.cern.ch)
LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -24-9 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. LHC-Beschleuniger November 2006, J. Sammet -25-
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