Zderzacz 2.0

Przez ten czas, gdy LHC nie pracował, dodawano do instalacji nowe elektromagnesy, a te stare poddawano sprawdzeniu i remontowi. Większość z zaplanowanych udoskonaleń udało się przeprowadzić w terminie. Potem rozpoczęło się schładzanie elementów konstrukcji do poziomu umożliwiającego osiągnięcie zjawiska nadprzewodnictwa.

Wspomniane elektromagnesy, których długość wynosi 15 m, a masa 35 ton, wspierają się na potężnych dźwigarach przymocowanych do betonowych elementów konstrukcji tunelu. Jeszcze przed przerwą, po awarii we wrześniu 2008 r., LHC został wyposażony w specjalny system czujników i obwód bezpieczeństwa do detekcji najdrobniejszych wzrostów napięcia w sieci. Podczas ostatniej przebudowy wymieniono lub wzmocniono ponad 10 tys. obwodów łączących elektromagnesy ze sobą, co zespołowi liczącemu 250 osób zajęło rok pracy.

Już od czerwca 2014 r. trwa proces schładzania magnesów w celu osiągnięcia operacyjnej temperatury 1,9 Kelwina przez pompowanie do systemu ciekłego helu. W tej temperaturze osiąga się nadprzewodnictwo. Aby skutecznie przeprowadzić operację schładzania, specjaliści podzielili przestrzeń LHC na osiem sekcji. W każdej można obniżać temperaturę w sposób niezależny. Schłodzenie każdej z owych odgrodzonych części oddzielnie zajmuje ok. dwóch miesięcy. Potem przeprowadzane są testy elektryczne w warunkach wysokoenergetycznych. Gdy energia wiązki sięga 6,5 TeV, notuje się spontaniczne przerwy w działaniu elektromagnesów. Potrafią tracić też właściwości nadprzewodzące. Specjaliści w LHC nie określają jednak takich wypadków jako awarii. System musi przejść po prostu nieco cykli próbnych włączeń i testów, aby zacząć funkcjonować bez zakłóceń.

W LHC występuje wielka różnorodność magnesów – dipole, kwadrupole, sekstupole, oktupole, dekapole itd., co daje ogólną liczbę ok. 10 tys. Każdy z elektromagnesów ma swój wkład w optymalizację trajektorii cząstek. Większość magnesów korekcyjnych jest osadzona w chłodzonej części głównych dipoli i kwadrupoli.

Magnesy LHC mają albo szczelinę podwójną (np. główne dipole), albo pojedynczą (niektóre z kwadrupoli wejściowych). Kwadrupole wejściowe są to specjalne magnesy stosowane do ogniskowania wiązki tak, żeby miała możliwie najmniejsze rozmiary w punktach zderzenia, maksymalizując w ten sposób szansę czołowego zderzenia dwóch biegnących naprzeciw siebie protonów. Największe magnesy to dipole, których jest 1232.

Właśnie dipole  stanowiły najważniejsze wyzwanie technologiczne przy projektowaniu LHC. W akceleratorze protonów, takim jak LHC, maksymalna energia, jaką można osiągnąć, jest wprost proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego dipola przy danym obwodzie akceleratora. Elektromagnesy nadprzewodzące w LHC mogą wytworzyć silne pole magnetyczne o natężeniu 8,3 tesli na całej swojej długości.

W dipolach LHC zastosowano kable niobowo-tytanowe (NbTi), które w temperaturach poniżej 10 K (-263,2°C) stają się nadprzewodnikami, tzn. przewodzą elektryczność bez oporu. W rzeczywistości LHC będzie pracować w temperaturze, która jest nawet niższa od temperatury panującej w przestrzeni kosmicznej (2,7 K, czyli -270,5°C). W dipolach płynie prąd o natężeniu 11 700 amperów, który wytwarza silne pole magnetyczne o natężeniu 8,3 T, konieczne do zakrzywiania wiązki o energii 7 TeV wokół 27-kilometrowego pierścienia LHC. Gdyby magnesy pracowały w temperaturze 4,5 K (-268,7°C), wytwarzałyby pole magnetyczne o natężeniu tylko 6,8 T. Maksymalne natężenie prądu w przeciętnym domu mieszkalnym wynosi ok. 100 A.

Cewki magnetyczne dla LHC nawinięte są z kabla zawierającego do 36 skręconych 15-milimetrowych żył, z których każda zrobiona jest z 6000-9000 pojedynczych włókien o średnicy 7 mikrometrów (dla porównania ludzki włos ma ok. 50 mikrometrów grubości). 27-kilometrowy obwód LHC potrzebuje ok. 7600 km kabla, co odpowiada ok. 270 tys. km żyły.

LHC jest największym systemem chłodzenia w świecie i jednym z najzimniejszych miejsc na Ziemi. Tak niska temperatura potrzebna jest do pracy magnesów, które utrzymują protony na torze. Aby zapewnić 27-kilometrowemu pierścieniowi (4700 ton materiału w każdym sektorze) cały czas temperaturę nadciekłego helu 1,9 K (-271,3°C), układ chłodzący LHC musi dostarczyć całkowitej mocy chłodzenia – ok. 150 kilowatów dla chłodziarek o temperaturze 4,5 K i 20 kilowatów dla tych o temperaturze 1,9 K. Układ systemu chłodzącego oparty jest na pięciu „wyspach kriogenicznych”, z których każda musi rozprowadzać chłodziwo i przenosić kilowaty mocy chłodzącej na dalekie odległości. Proces chłodzenia przebiega w trzech fazach: ochłodzenie do temperatury 4,5 K (-268,7°C), wypełnienie ciekłym helem chłodzonej masy magnesów, ostateczne ochłodzenie do temperatury 1,9 K (-271,3°C).

Pierwsza faza przebiega w dwóch etapach: najpierw hel ochładzany jest do temperatury 80 K w wymiennikach ciepła chłodziarki, korzystających z 10 tys. ton ciekłego azotu. Następnie turbiny chłodzące obniżają temperaturę helu do 4,5 K (-268,7°C), przygotowując wprowadzenie go do chłodzonej masy magnesów. Gdy tylko magnesy są wypełnione, urządzenia chłodzące obniżają temperaturę do 1,9 K (-271,3°C). Całkowita ilość potrzebnego helu będzie wynosiła ok. 120 ton, z czego 90 ton zostanie wykorzystane w magnesach, a reszta w rurach i jednostkach chłodzących. Płynny azot nigdy nie jest bezpośrednio wprowadzany do LHC, żeby uniknąć jakiejkolwiek możliwej przyczyny „uduszenia” w tunelu podziemnym.

Aby utrzymać temperaturę pracy magnesów na poziomie 1,9 K, cały układ chłodzący będzie potrzebował ok. 40 tys. szczelnych połączeń rur i 120 ton helu dla całego LHC. W czasie normalnej pracy większość helu będzie krążyć w zamkniętych pętlach obiegu chłodziarek.

Wybór temperatury pracy LHC wynika z konieczności zastosowania helu o „super” własnościach, jak i nadprzewodzącego stopu niobowo-tytanowego w cewkach magnesów. Przy ciśnieniu atmosferycznym hel w stanie gazowym skrapla się w temperaturze ok. 4,2 K (-269,0°C), lecz gdy jest chłodzony w dalszym ciągu, ulega drugiemu przejściu fazowemu w stan nadciekłości w temperaturze ok. 2,17 K (-271,0°C). Wśród wielu ważnych własności nadciekły hel wykazuje bardzo wysokie przewodnictwo cieplne, dlatego został wybrany jako środek chłodzący i stabilizujący wielkie układy nadprzewodzące.

Zapraszamy do lektury tematu numeru w magazynie Młody Technik.