POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział: BMiZ Kierunek: MiBM / KMiU Prowadzący: dr hab. Tomasz Stręk Przygotował: Adrian Norek

Plan prezentacji 1. Wprowadzenie 2. Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN 3. Podsumowanie Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

1. Wprowadzenie Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN Ośrodek naukowo-badawczy połoŝony na północno-zachodnich przedmieściach Genewy na granicy Szwajcarii i Francji. Rys. 1.1. PołoŜenie ośrodka CERN [http://www.kosmologs.de] Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

Obecnie do organizacji CERN naleŝy 20 państw członkowskich CERN zatrudnia: Rys. 1.2. Państwa członkowskie [http://pl.wikipedia.org/] - 2600 stałych pracowników (ok 200 Polaków), - 8000 naukowców i inŝynierów reprezentujących ponad 500 instytucji naukowych z całego świata. Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

NajwaŜniejszym narzędziem pracy w CERN jest największy na świecie akcelerator cząstek Wielki Zderzacz Hadronów. Wielki Zderzać Hadronów (WZH) jest największą maszyną na świecie. Jej całkowity koszt wyniósł ok 4,6 mld CHF. Poszczególne elementy akceleratora umieszczone są w tunelu o długości ok. 27km, połoŝonym na głębokości od 50 do 175m. Zadaniem akceleratorów jest przyspieszanie cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła, a następnie ich zderzanie w celu przeprowadzania reakcji jądrowych. Jednym z celów istnienia LHC jest potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa. Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

Wyniki badań rejestrowane są przez: - dwa duŝe detektory cząstek elementarnych: ATLAS i CMS, - dwa mniejsze: ALICE i LHCb, - trzy małe: TOTEM, LHCf, MoEDAL. Rys. 1.3. Detektor Atlas [http://www.atlas-canada.ca/] Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

2. Chłodzenie największego magnesu w CERN Fizyka cząstek elementarnych zwana równieŝ fizyką wysokich energii zajmuje się badaniem cząstek submikroskopowych mniejszych od atomów oraz poszukiwaniem cząstek elementarnych odpowiedzialnych za pozostałe jednostki materii. Rys. 2.1. Wynik zderzenia [http://images.iop.org] Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

Zagadnienie chłodzenia magnesów w CERN zostało omówione przez dr. Bertranda Baudouy z Francuskiej Komisji Energii Atomowej (CEA). Autor obecnie prowadzi badawczo-rozwojowe laboratorium kriogeniki. Rys. 2.2. Dr Bertrand Baudouy [COMSON NEWS 2010] Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

Rozpędzenie cząstek elementarnych do 99,99% prędkości światła wymaga: 8000 nadprzewodzących magnesów chłodzonych helem, Kriogenicznego systemu dystrybucyjnego dostarczającego hel w stanie nadciekłym do okręgu o obwodzie 27km. System ten utrzymuje magnesy zderzacza LHC w temperaturze 1,9K (-271,05 C). W LHC znajduję się ok. 700 000 litrów helu o wartości 2,6 miliona euro. Uruchomienie LHC wymaga 50MW, z czego połowa przeznaczona jest na kriogenikę i uzyskanie precyzyjnego systemu chłodzenia. Cząsteczki są w stanie okrąŝać 27 kilometrowy tunel 11 000 razy na sekundę. Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

Rys. 2.3. Tunel LHC [http://atlas.ch]

Magnesy detektora cząstek CMS chłodzone są za pomocą helu do 4,2 K. Rys. 2.3. Detektor cząstek CMS [http://cmsinfo.cern.ch] Rys. 2.4. Detektor cząstek CMS [http://cmsinfo.cern.ch]

Rys. 2.5. Detektor cząstek CMS [COMSOL NEWS 2010] - 7 metrów średnicy - 12,5 m długości - składa się z pięcioma niezaleŝnych modułów, chłodzony pośrednio poprzez sieć równoległych rur

Projektowanie chłodzenia detektorów wymaga uwzględnienia wielu zmiennych. NaleŜy uwzględnić zarówno: - odpowiednie chłodzenie podczas pracy, - dobór i rozmieszczenie rur chłodzących, - przepływ masy (helu), - ciśnienia, - rozwiązanie problemu w przypadku awarii.

Autor pracy o chłodzeniu elektromagnesów w CERN w celu przeprowadzenia eksperymentów i obliczeń na potrzeby projektowania systemu potrzebował oprogramowania, które dawałoby moŝliwość dokładnych obliczeń. W tym celu wykorzystany został program COMSOL Multiphysics Bardzo waŝnymi zaletami są: - moŝliwość uŝywania i edycji równań w poszczególnych modułach - wprowadzenie własnych równań (autor). Autor podkreśla jednocześnie, iŝ coraz więcej osób w CERN wykazuje wzrost zainteresowaniem oprogramowaniem COMSOL Multiphysics w obliczeniach. Byłem zachwycony, gdy odkryłem program COMSOL, gdyŝ z nim mogę zobaczyć fizykę, a nie setki linii kodu napisanego w języku C lub FORTRAN Seminarium dyplomowe: Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

Dla lepszego zrozumienia zjawisk związanych z przepływem helu w pętli termosyfonu, zbudowany został model doświadczalny. Długość pętli wyniosła 2 metry. W celu potwierdzenia słuszności koncepcji wykorzystane zostało oprogramowanie COMSOL Multiphysics. Okazało się, Ŝe wyniki były zbliŝone do otrzymanych z eksperymentu. Rys. 2.6. Model pętli chłodzącej [COMSOL NEWS 2010] Seminarium dyplomowe: Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

Wykorzystanie programu i modelu umoŝliwiło: - rozszerzenie i zmiany w pętli, - modyfikacje wpływu tarcia, - skrócenie czasu projektowania rur chłodzących magnesy nadprzewodnikowe z 2-3 miesięcy do tygodnia, - przyszłościowo przyczyni się do znacznego zmniejszenia pętli, Dotychczasowe obliczenia i projekty dokonane w programie COMSOL Multiphysics zostaną wykorzystane w nowym projekcie nadprzewodnikowych magnesów w instytucie badań nad jonami i antyprotonami (Facility for Antiproton and Ion Research) w Darmstadt. System kriogeniczny będzie podobny do zastosowanego CMS za wyjątkiem rur chłodzących, które będą znajdować się w pozycji pionowej. Seminarium dyplomowe: Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

3. Podsumowanie Celem prezentacji było przedstawienie moŝliwości wykorzystania systemu COMSOL Multiphysics jako narzędzia wspomagającego projektowanie systemów chłodzących największych na świecie magnesów nadprzewodzących w CERN. Jak widać oprogramowanie te moŝe być wykorzystane z duŝym powodzeniem w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN, a wyniki eksperymentalne są zgodne z przeprowadzonymi symulacjami. Seminarium dyplomowe: Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Seminarium dyplomowe: Chłodzenie największego na świecie magnesu w CERN