Wyzwania Technologiczne Wielkiego Zderzacza Cząstek (LHC( LHC) w CERN w Genewie Jan Kulka

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Wyzwania Technologiczne Wielkiego Zderzacza Cząstek (LHC( LHC) w CERN w Genewie Jan Kulka"

Stanisław Romanowski
7 lat temu
Przeglądów:

1 Wyzwania Technologiczne Wielkiego Zderzacza Cząstek (LHC( LHC) w CERN w Genewie Jan Kulka

2 - Po co nam Wielki Zderzacz Hadronów? - Zespół akceleratorów wokół LHC - Podstawowe systemy LHC - wnęki rezonansowe - kriogenika - magnesy nadprzewodnikowe - nadprzewodniki wysokotemperaturowe -Awarie - Perspektywy

3 Po co nam LHC? Model Standardowy jest potwierdzony doświadczalnie, lecz nie jest w pełni satysfakcjonujący z teoretycznego punktu widzenia. Ma 19 swobodnych parametrów (np. masy cząstek), które należy wyznaczyć doświadczalnie Nie wiemy także, czy poprawny jest mechanizm Higgsa Nie wyjaśnia pierwszych chwil istnienia Wszechświata po Wielkim Wybuchu, w czasie których nastąpiła wielka ekspansja zwana inflacją. Nie wyjaśnia, dlaczego Wszechświat zbudowany jest z materii, a nie ma w nim antymaterii. Obliczenia masy Wszechświata nie zgadzają się z obserwowaną ilością materii we Wszechświecie, brakującą materię nazywa się ciemną materią. Nie uwzględnia grawitacji.

Warunki termiczne jak w Wielkim Wybuchu Zderzenia cząstek przy wysokich energiach odpowiadają wysokiej temperaturze W CERNie zderzenia będą miały miejsce przy temperaturze 10 15 K (100 milionów

4 Warunki termiczne jak w Wielkim Wybuchu Zderzenia cząstek przy wysokich energiach odpowiadają wysokiej temperaturze W CERNie zderzenia będą miały miejsce przy temperaturze K (100 milionów razy wyższej od temperatury jądra Słońca). Jest to temperatura Wszechświata, kiedy miał zaledwie sekundy. Zatem badanie zderzeń cząstek przypomina badanie Wszechświata tuż po jego narodzinach.

LHC to wielki mikroskop Atom składa się z elektronów i dodatnich obiektów (1897 - J J Thomson).

5 LHC to wielki mikroskop Atom składa się z elektronów i dodatnich obiektów ( J J Thomson). Elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra (1911). Jądro złożone jest z protonów (1919) i neutronów (1932) które składają się z kwarków (1964). Kwarki i elektrony uważamy za cząstki fundamentalne

6 Cząstki fundamentalne

7 Kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują samotnie. Cząstki złożone z kwarków to hadrony. Bariony Zbudowane z trzech kwarków proton neutron p n 0 + uud ddu Wszystkie bariony z wyjątkiem protonu są niestabilne tzn. rozpadają się, a na końcu łańcucha rozpadów są leptony, protony i fotony.

10 Połączenia szeregowe do LHC

11 5 B2 Dump 4 6 B1 Dump SPS 8 1 LINAC 2 PSB CPS Energia (GeV) Obwód(m) LINAC PSB CPS = 4 PSB SPS = 11 x PS LHC = 27/7xSPS

12 Mechanizm wstrzeliwania (iniekcji) cząstek: iniekcja z akceleratorów wstępnych BOOSTER (1.4 GeV) PS (26 GeV) SPS (450 GeV) LHC BOOSTER (4 pierścienie) Pakiet 1 Pakiet 2 PS Dwie iniekcje z BOOSTERa h=1 do PS h=7 (6 pakietów zapełnionych + 1 pusty)

13 Mechanizm iniekcji: iniekcja pomiędzy akceleratorami SPS h=84 26 GeV h= GeV h=7 PS h=1 BOOSTER 1.4 GeV

14 Trajektoria protonów w LHC -Dla wiązki 2, pole magnetyczne poza plan -Czas rozpędzania w LHC około ½ godziny -Nominalny czas trwania wiązki około 10 godzin

15 Układy próżniowe -próżnia w jonowodach ~ atm; 10-8 Pa, wszystkie połączenia w stali nierdzewnej spawane -próżnia izolacyjna (dla izolacji termicznej) ~ 10-5 atm Dla uzyskania takiej próżni stosuje się : - pompy rotacyjne - pompy turbomolekularne - pułapkowanie gazów resztkowych przez getter

17 Pole magnetyczne magnesów nadprzewodnikowych utrzymuje trajektorię protonów

18 Przyspieszanie protonów wnęki rezonansowe

19 System RF : IR4 S34 ACS ACS ACS ACS S45 ADT D3 D4Q5 Q6 Q7 B2 420 mm B1 Nadajnik Drugi jonowód 194 mm Falowód 4xFour-cavity cryo module 400 MHz, 16 MV/beam Nb on Cu K (=LEP2) Beam pipe diam.=300mm Tunel

20 Do każdej wnęki rezonansowej klistron o mocy 300kW

21 Wnęki rezonansowe w tunelu w pkt. 4

22 10 września synchronizacja wnęki i pakietów protonowych czas Długość paczki

23 Kriogenika Instalacje kriogeniczne dla potrzeb LHC Pt 5 Pt 4 Pt 6 Pt 3 Cryoplant Distribution Present Version Pt 7 Pt 2 Pt 8 Pt 1.8 Cryogenic plant Pt 1

24 Linia dystrybucyjna ciekłego helu o długości 3,3km

25 Elementy sytemu kriogenicznego

26 Przewodność cieplna He II Y(T) ± 5% ( &) = & ( ) KT,q q YT dt dx = 3.4 q& Y(T) q & in W / cm T in K X in cm 2 Hel II 500 Miedź OFHC Tλ T [K]

27 Diagram fazowy helu SOLID 1000 P [kpa] 100 HeII Pressurized He II λ line HeI CRITICAL POINT GAS 10 Saturated He II T [K]

28 Wymiana ciepła pomiędzy helem przepływającym i magnesem

29 Przepływy helowe w komórce kriogenicznej LHC LHC Standard Cell (106.9 m) F Thermal shield B D C HX100 Cryogenic Distribution Line HX100 TCV2 SRV CFV TCV1' TCV1 TCV2 TCV2 SRV SRV TCV1' TCV1 TCV2 Beam screens Support posts MB MQ MB MB MB MQ MB MB MB MQ X Y L E Supports and thermal shield LHC magnet cryostat

30 Ograniczenie dopływu ciepła do magnesów -próżnia izolacyjna - kompozytowe podpory ( nogi ) - ekrany termiczne z wielowarstwowej izolacji -chłodzenie ekranu wiązki -chłodzenie gazowym helem łoża magnesu

31 Przekrój dipola LHC

32 Kompozytowa noga magnesu G10 Glass-fibre Reinforced Epoxy

33 Blokada dopływu ciepła Zasilanie ciekłym helem 4,5K (linia C ) Płyty aluminiowe klejone do nogi kompozytu G-10 Łączniki do łoża aluminiowego ekranu termicznego K

34 Aluminiowe łoże magnesu wspornikiem ekranu termicznego

35 Izolacja aluminiowa zimnej masy

36 Wielowarstwowy koc izolacji termicznej (MLI)

37 Magnesy nadprzewodnikowe - druty nadprzewodzące ze stopu Nb-Ti - jarzma ze stali i aluminium - kable drutowe -przejścia pomiędzy magnesami - ochrona magnesów na wypadek utraty nadprzewodnictwa -magnesy ogniskujące i korekcyjne

38 indukcja pola magnetycznego B µ Jbd = 0 y a + b B B x y = = µ 0J ( a b) a + b µ 0J ( a b) a + b y x

39 Kabel nadprzewodzący

40 Drut nadprzewodzący

41 Dostępne materiały nadprzewodzące Kryterium selekcji Liczba Nadprzewodnik 10,000 T c 10 K.and. B c2 10 T 100 J c 1 GA/m B > 5 T 10 Nadprzewodnik do nawijania magnesów 1

42 Warunki występowania nadprzewodnictwa

Soldering Alloy Layer Lower Tin/Silver Soldering Alloy Layer Completed

44 Łączenie uzwojeń magnesów Upper Tin/Silver Soldering alloy Layer Upper Copper Profile Superconducting Cable in Copper Stabilizer Inter-Cable Tin/Silver Soldering Alloy Layer Lower Tin/Silver Soldering Alloy Layer Completed Junction Lower Copper U Profile Cable Junction Box Cross-section R.Bailey, Aspen

45 Grzejnik quenchowy

46 Ekran wiązki

47 Energy stored in LHC magnets Energy stored in twin dipole magnet: E stored := B dipole length rdipole π µ 0 Approximation: energy is proportional to volume inside magnet aperture and to the square of the magnet field E dipole = 0.5 L dipole I 2 dipole Energy stored in one dipole is 7.6 MJoule For all 1232 dipoles in the LHC: 9.4 GJ

48 Energy stored in the beams 25 ns Beam energy: Proton Energy Number of Bunches Number of protons per bunch Proton Energy: 7 TeV In order to achieve very high luminosity: Number of bunches per beam: 2808 Number of protons per bunch: Energy per beam: 346 MJoule 48

49 Schemat działania zabezpieczeń na wypadek przejścia rezystywnego Cold diode Quench Detectors V1-V2 0 R Power Converter L1 (SC Magnet) Switch L2 (SC Magnet) L154 (SC Magnet) Quench Heaters R (Energy Extraction)

50 Za późno During magnet test campaign, the 7 MJ stored in one magnet were released into one spot of the coil (inter-turn short) P. Pugnat

51 Schemat zrzucania wiązki Beam 1 Q5L Fast kicker magnet Q4L Septum magnet deflecting the extracted beam H-V kicker for painting the beam about 700 m Beam Dump Block Q4R about 500 m Q5R Beam 2 51

52 Zasilanie sektora 7-8

53 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe w LHC Przepusty prądowe z nadprzewodników wysokotemperaturowych Quantity Current rating (A)

54 Przepływ helu w przepustach prądowych

55 Kabel z 7 warstw nadprzewodnika BISCO 2223

56 10 th of September

57 Przejście rezystywne - awaria R.Bailey, Aspen

58 Hipoteza źródeł awarii R.Bailey, Aspen

59 Konsekwencje 100m Insulating vacuum barrier every 2 cells in the arc Some moved R.Bailey, Aspen

60 Naprawa 100m R.Bailey, Aspen

61 L. Evans R. Saban R. Bailey K-H. Mess K. Dahlerup-Petersen T. Taylor T.Obłąkowska-Mucha Podziękowania:

62 Niob-Tytan Critical current density vs field measured on NbTi multiflamentray wire at 4.22 and 2.17 K Jc(A/mm 2 ) LHe HeII B tot (T) Critical surface of NbTi (from Wilson textbook) Critical current of best Cu/NbTi with typical 3 T field shift at superfluid helium (INFN-LASA lab, february 2000)

Podobne dokumenty

Techniczne aspekty LHC (Large Hadron Collider) Udział WFiIS AGH w uruchomieniu akceleratora Jan Kulka

Techniczne aspekty LHC (Large Hadron Collider) Udział WFiIS AGH w uruchomieniu akceleratora Jan Kulka 5-06-2009 - Zespół akceleratorów wokół LHC - Podstawowe systemy LHC oraz udział WFiIS AGH w uruchomieniu