Jak budowano LHC. Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Jak budowano LHC. Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów"

Nina Madej
8 lat temu
Przeglądów:

1 Jak budowano LHC Andrzej SIEMKO CERN, Departament Technologii Akceleratorów

2 Plan wykładu Wstęp Czym jest Wielki Zderzacz Hadronów LHC Wybrane wyzwania LHC Nadprzewodnictwo w LHC i urządzenia nadprzewodnikowe Kriogenika LHC Czy zawsze jest tak jakbyśmy tego chcieli? Pierwsze osiągnięcia Podsumowanie

urządzenia nadprzewodnikowe Kriogenika LHC Czy zawsze

3 Dwa bieguny w badaniu struktury materii Akceleratory Mikroskopy Lunety Optyczne i radioteleskopy Współczesne akceleratory wraz z detektorami cząstek można uznać za bardzo czułe mikroskopy, lub poprawniej atto-skopy! = h/p T = 1 TeV m

akceleratory wraz z detektorami cząstek można uznać za bardzo

4 Jak poznać lepiej strukturę materii? Dwie drogi do lepszego poznania fundamentalnej struktury materii Wzrost energii Wzrost precyzji Nowe zjawiska (nowa fizyka) są spodziewane gdy użyteczna energia > mc 2 [ 2] Znane zjawiska badane z większa precyzja mogą pokazać niezgodności z istniejącymi teoriami

energii Wzrost precyzji Nowe zjawiska (nowa fizyka) są spodziewane gdy

5 Czym jest Wielki Zderzacz Hadronów LHC? Akcelerator zderzający protony o energii 7 TeV Najważniejsze daty Projektu LHC: 1982 : Pierwsze idee i opracowania 1994 : Zatwierdzenie projektu LHC przez Rade CERN 1996 : Decyzja o rozpoczęciu budowy 2004 : Początek instalacji LHC 2006 : Początek uruchamiania systemów technicznych 2008 : Początek pracy akceleratora z wiązkami protonów 2008 : Niespodziewana awaria 2009 : Ponowne uruchomienie pierwsze zderzenia : planowana praca i eksperymenty fizyczne Największe i najbardziej złożone urządzenie ( maszyna ) jakie kiedykolwiek zostało zbudowane

przez Rade CERN 1996 : Decyzja o rozpoczęciu budowy 2004 : Początek instalacji LHC 2006 : Początek uruchamiania systemów technicznych 2008 : Początek

6 LHC Wyzwania LHC pierwszy akcelerator z magnesami nadprzewodnikowymi chłodzonymi nadpłynnym helem o temperaturze T=1.9 K: Nowe materiały, Nowe technologie produkcji, Nowe systemy zabezpieczenia urzadzen nadprzewodnikowych, Niezawodność.

7 Regular arc: Magnesy 392 główne kwadrupole magnesów korekcyjnych 1232 główne dipole multipolowych magnesów korekcyjnych

8 Połączenie poprzez moduł serwisowy Regular arc: Kriogenika Kriogeniczna linia dystrybucyjna (26 km) Statyczny nadciekły hel o temperaturze 1.9 K w izolowanych komorkach R.Schmidt - TU Darmstadt kriogenicznych o długości 214 m Januar

9 Ultra wysoka próżnia wiązki Beam 1 + Beam 2 Regular arc: Próżnia Próżnia izolacyjna w kriogenicznej linii dystrybucyjnej Próżnia izolacyjna w kriostatach magnesów 9

10 Parametry glownych magnesów dipolowych LHC Liczba głównych dipoli 1232 Pole dipolowe dla 7 TeV 8.33 T Prąd w dipolach dla 7 TeV A Energia zmagazynowana w dipolach 10 GJ Liczba dipolowych obwodów elektrycznych 8 Całkowita liczba magnesów ~9600 Liczba wszystkich obwodów elektrycznych 1766

33 T Prąd w dipolach dla 7 TeV 11850 A Energia zmagazynowana w dipolach

11 Nadprzewodnictwo 1908 Kamerlingh Onnes skrapla hel 1911 Pomiar zależności R-T dla rtęci Metal TC [K] TC [ C] Nb Pb V La Ta Hg Sn In Pd Cr Tl Al Zn Ti Rh Podstawową właściwością stanu nadprzewodzącego jest to, że prąd elektryczny może płynąć bez występowania różnicy potencjałów

75 Pd 3.3-269.85 Cr 3.0-270.15 Tl 2.4-270.77 Al 1.2-271.95 Zn 0.9-272.3 Ti 0.4-272.75 Rh 0.000325-273.

12 Indukcja [T] Nadprzewodniki I i II rodzaju B c2 B c2 (T) Stan normalny Stan nadprzewodzący drugiego rodzaju (stan mieszany) ρ = 0 B 0 B c1 Stan mieszany B c1 (T) Stan nadprzewodzący pierwszego rodzaju (stan Meissnera) ρ = 0 Stan Meissnera B = 0 0 Temperatura [K] T c

0 B 0 B c1 Stan mieszany B c1 (T) Stan nadprzewodzący pierwszego

Diagram fazowy - powierzchnia krytyczna J c Gęstość prądu [A/m 2 ] Temperatura krytyczna T c Krytyczna gęstość prądu J c Krytyczne pole magnetyczne B c Indukcja [T] B c Stan

13 Diagram fazowy - powierzchnia krytyczna J c Gęstość prądu [A/m 2 ] Temperatura krytyczna T c Krytyczna gęstość prądu J c Krytyczne pole magnetyczne B c Indukcja [T] B c Stan nadprzewodzący: T c T < T c, J < J c, B < B c Temperatura [K] LHC wykorzystuje: Klasyczne nadprzewodniki niskotemperaturowe stop Nb-Ti Wysokotemperaturowe nadprzewodniki typu BSCO Bi-2223

nadprzewodzący: T c T < T c, J < J c, B < B c Temperatura [K] LHC wykorzystuje: Klasyczne

14 Nadprzewodniki LHC km kabli Cu/Nb-Ti

15 Produkcja nadprzewodników typu Nb-Ti ~ 1 m Ø~ 20 cm Nb-Ti Folia Nb Cylinder z Cu Uszczelnienie i odpompowanie Ekstruzja i ciągnienie ~ 10 m Ø~ 7cm

16 Produkcja nadprzewodników typu Nb-Ti Dalsze wielokrotne ciągnienie połączone z obróbką cieplną Redukcja średnicy od Ø 7 cm to Ø 1-5 mm Ostateczne ciągnienie połączone z formowaniem kształtu sześciokątnego i ciecie na odcinki ~ 1 m

od Ø 7 cm to Ø 1-5 mm Ostateczne ciągnienie połączone z

17 Produkcja nadprzewodników typu Nb-Ti 1 m 20 cm Copper bar ca hexagons Copper tube

18 Produkcja w przemyśle: montaż cewek nadprzewodnikowych

19 Produkcja w przemyśle

20 Montaż finalny magnesów w kriostatach

21 Testy w stacji testów

22 Podroż 100m pod ziemie

i podroż w tunelu 30 000 km z prędkością

23 i podroż w tunelu km z prędkością 2 km/h! Waga urządzeń w tunelu: t

24 Instalacja setki tysięcy połączeń

25 Magnesy nadprzewodnikowe w tunelu LHC Magnesy w regularnej części łuku LHC 1232 główne magnesy dipolowe 474 ogniskujące magnesy kwadrupolowe plus około 8000 magnesów korekcyjnych 7 th November last interconnection 30 th of april all interconnections are closed

26 Jak Budowano LHC Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

27 Jak Budowano LHC Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

28 Jak Budowano LHC Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

29 Jak Budowano LHC Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

30 Jak Budowano LHC Kolimacja wiązek protonów LHC 56.0 mm 1 mm Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

31 Jak Budowano LHC Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

32 Jak Budowano LHC Kurs dla polskich nauczycieli fizyki w CERN 20-26/9/2009

33 Chłodzenie nadpłynym helem Zwykły hel gazowy to atomy izotopu 4 He. Przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym 4 He skrapla się w T = 4.22 K. Przy obniżeniu ciśnienia do 50 mbar T < 2.17K (T λ = 2.17 K punkt λ ) zachodzi dramatyczna zmiana jego właściwości K K T He II I He I I He Najbardziej niezwykłą zdolnością nadpłynnego helu jest to, ze ciepło może w nim płynąć bez występowania gradientu temperatury Nadpłynność jest zjawiskiem nadprzewodnictwa ciepła Andrzej Siemko, CERN

34 Tajemnice pierwiastka 4 He Hel odkryto najpierw na Słońcu, później na Ziemi Podczas całkowitego zaćmienia Słońca w1868 roku Pierre Janssen, badając widmo korony słonecznej, zaobserwował pomarańczowy prążek odpowiadający długości fali 5876 Å, którego nie można było przypisać do żadnego spośród znanych wówczas pierwiastków. Nowemu pierwiastkowi nadano nazwę Helium od greckiego boga słońca - Heliosa.

35 Z historii badań helu Skroplenie helu (1908) H. Kamerling-Onnes, Nagroda Nobla 1913, Odkrycie nadpłynności 4 He (1937) P. Kapica, Nagroda Nobla 1978, Teoria nadpłynności L. Landau, Nobel 1962, Odkrycie nadciekłości 3 He (1972) Lee, Richardson, Osheroff, Nagroda Nobla 1996, Teoria nadpłynności 3 He (1970) Leggett, Nagroda Nobla 2003.

36 Nadpłynność efekt kapilarny

37 Nadpłynność efekt fontannowy

38 Kriogenika magnesów LHC Two-phase 1.8 K Pressurised 1.9 K (~ 20 ltr / m) Beam K Heat ~4.5 K Thermal 50-65K Heat ~ 50 K

39 Schemat chłodzenia do temperatury 1.9K Okolo 120 ton nadciekłego helu w magnesach LHC

40 Tunnel Cavern Shaft Surface Kriogenika LHC Point 8 Storage QSCC QSCA QSCB QSCC QSRA QSRB QURA QUIC QURC QURC Sector 7-8 Sector 8-1

41 LHC - najzimniejsza cześć wszechświata

42 Magia Nadpłynnego Helu 3.3 km 42

43 Uruchamianie LHC 10/09/2008

44 Czy zawsze wszystko jest tak jak tego chcielibyśmy? Not really.

45 19/ poważna awaria Wystarczyło, ze wśród połączeń nadprzewodników (13kA) jedno było wadliwe 45

46 Co potrafi zrobić duże ciśnienie!!! W sumie 700m akceleratora wymagało naprawy 46

47 Dlaczego nie zawsze jest tak jak tego chcielibyśmy? W projekcie takim jak LHC, przy jego bezprecedensowej skali złożoności unikatowości technologicznym nowatorstwie Problemy techniczne musza wystąpić Ważne jest by te problemy zidentyfikować, zrozumieć i rozwiązać Przyczyny awarii zostały wyjaśnione i zakończył sie proces naprawy

48 Ponowne uruchamianie LHC 20-23/11/2009

49 Pierwsze zderzenia w LHC 2*450GeV i 2*1.18 TeV 12/2009

50 Pierwsze zderzenia w LHC 2*3.5 TeV 30/3/2010

51 Podsumowanie LHC jest najwiekszym i najbardziej zlożonym urzadzeniem badawczym jakie kiedykolwiek zostalo wymyslone i skonstruowane Po awarii w 2008 LHC zostało naprawione i ponownie uruchomione do energii 2*3.5 TeV Akcelerator i detektory funkcjonują poprawnie Osiągniecie docelowej energii 2*7 TeV będzie wymagało dodatkowej naprawy (korekcji) połączeń miedzy magnesami ( ) Wiele z opracowanych nowych technologii znajduje późniejsze zastosowania zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym Należy pamiętać, że badania naukowe w dzisiejszych laboratoriach fizycznych to technika jutra 51 Andrzej Siemko, CERN

52 Dziękuję za uwagę A ja najbardziej lubię akcelerator van de Graaffa Andrzej Siemko, CERN

Podobne dokumenty

LHC - wielki zderzacz hadronów

LHC - wielki zderzacz hadronów Ewa Rondio zakład VI / CERN na podstawie wykładów dla nauczycieli w CERNie dr A. Siemko Dwa bieguny w badaniu struktury materii Akceleratory Mikroskopy Lunety Optyczne i