Wyzwania Technologiczne Wielkiego Zderzacza Cząstek (LHC( LHC) w CERN w Genewie Jan Kulka 13-04 04-2010
- Po co nam Wielki Zderzacz Hadronów? - Zespół akceleratorów wokół LHC - Podstawowe systemy LHC - wnęki rezonansowe - kriogenika - magnesy nadprzewodnikowe - nadprzewodniki wysokotemperaturowe -Awarie - Perspektywy
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 razy wyższej od temperatury jądra Słońca). Jest to temperatura Wszechświata, kiedy miał zaledwie 10-25 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). 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
Cząstki fundamentalne
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.
Połączenia szeregowe do LHC
5 B2 Dump 4 6 B1 Dump 3 7 2 SPS 8 1 LINAC 2 PSB CPS Energia (GeV) Obwód(m) LINAC2 0.12 30 PSB 1.4 157 CPS 26 628 = 4 PSB SPS 450 6911 = 11 x PS LHC 7000 26657 = 27/7xSPS
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)
Mechanizm iniekcji: iniekcja pomiędzy akceleratorami SPS h=84 26 GeV h=21 1.4 GeV h=7 PS h=1 BOOSTER 1.4 GeV
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
Układy próżniowe -próżnia w jonowodach ~ 10-13 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
Pole magnetyczne magnesów nadprzewodnikowych utrzymuje trajektorię protonów
Przyspieszanie protonów wnęki rezonansowe
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 cavities @4.5 K (=LEP2) Beam pipe diam.=300mm Tunel
Do każdej wnęki rezonansowej klistron o mocy 300kW
Wnęki rezonansowe w tunelu w pkt. 4
10 września 2008 - synchronizacja wnęki i pakietów protonowych czas Długość paczki
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
Linia dystrybucyjna ciekłego helu o długości 3,3km
Elementy sytemu kriogenicznego
Przewodność cieplna He II Y(T) ± 5% 2000 1500 1000 2.4 ( &) = & ( ) 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 0 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 T [K]
Diagram fazowy helu 10000 SOLID 1000 P [kpa] 100 HeII Pressurized He II λ line HeI CRITICAL POINT GAS 10 Saturated He II 1 1 10 T [K]
Wymiana ciepła pomiędzy helem przepływającym i magnesem
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
Ograniczenie dopływu ciepła do magnesów -próżnia izolacyjna - kompozytowe podpory ( nogi ) - ekrany termiczne z wielowarstwowej izolacji -chłodzenie ekranu wiązki -chłodzenie gazowym helem łoża magnesu
Przekrój dipola LHC
Kompozytowa noga magnesu G10 Glass-fibre Reinforced Epoxy
Blokada dopływu ciepła Zasilanie ciekłym helem 4,5K (linia C ) Płyty aluminiowe klejone do nogi kompozytu G-10 Łączniki do łoża aluminiowego ekranu termicznego 50-75 K
Aluminiowe łoże magnesu wspornikiem ekranu termicznego
Izolacja aluminiowa zimnej masy
Wielowarstwowy koc izolacji termicznej (MLI)
Magnesy nadprzewodnikowe - druty nadprzewodzące ze stopu Nb-Ti - jarzma ze stali i aluminium - kable 28-36 drutowe -przejścia pomiędzy magnesami - ochrona magnesów na wypadek utraty nadprzewodnictwa -magnesy ogniskujące i korekcyjne
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
Kabel nadprzewodzący
Drut nadprzewodzący
Dostępne materiały nadprzewodzące Kryterium selekcji Liczba Nadprzewodnik 10,000 T c 10 K.and. B c2 10 T 100 J c 1 GA/m 2 @ B > 5 T 10 Nadprzewodnik do nawijania magnesów 1
Warunki występowania nadprzewodnictwa
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 2009 44
Grzejnik quenchowy
Ekran wiązki
Energy stored in LHC magnets Energy stored in twin dipole magnet: E stored := 2 2 2 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
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: 1.05 10 11 Energy per beam: 346 MJoule 48
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)
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
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
Zasilanie sektora 7-8
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe w LHC Przepusty prądowe z nadprzewodników wysokotemperaturowych Quantity Current rating (A) 64 13000 298 6000 820 600 2104 60-120 53
Przepływ helu w przepustach prądowych
Kabel z 7 warstw nadprzewodnika BISCO 2223
10 th of September
Przejście rezystywne - awaria R.Bailey, Aspen 2009 57
Hipoteza źródeł awarii R.Bailey, Aspen 2009 58
Konsekwencje 100m Insulating vacuum barrier every 2 cells in the arc Some moved R.Bailey, Aspen 2009 59
Naprawa 100m R.Bailey, Aspen 2009 60
L. Evans R. Saban R. Bailey K-H. Mess K. Dahlerup-Petersen T. Taylor T.Obłąkowska-Mucha Podziękowania:
Niob-Tytan Critical current density vs field measured on NbTi multiflamentray wire at 4.22 and 2.17 K Jc(A/mm 2 ) 11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 LHe HeII 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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)