Wyzwania Wyzwania Technologiczne Wielkiego Technologiczne Wielkiego ZderzaczaZderzacza Cząstek (Cząstek (LHCLHC))

w CERN w Genewiew CERN w GenewieJan KulkaJan Kulka

1313--0404--20102010

• - 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 miałymiejsce przy temperaturze 1015 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 Kwarki i elektrony uważamy za cząstki fundamentalnecząstki fundamentalne

Cząstki fundamentalne

• BarionyZbudowane z trzech kwarków

proton

neutron

uudp →+

ddun →0

Wszystkie bariony z wyjątkiem protonu są niestabilne tzn. rozpadają się, a na końcu łańcucha rozpadów są leptony, protony i fotony.

Kwarki żyją w grupach wraz z innymi kwarkami i nigdy nie występują samotnie.

Cząstki złożone z kwarków to hadrony.

Połączenia szeregowe do LHC

1

2

3

4

5

7

8

6

SPS

LIN

AC 2

CPS

PSBEnergia (GeV) Obwód(m)

LINAC2 0.12 30PSB 1.4 157CPS 26 628 = 4 PSBSPS 450 6911 = 11 x PSLHC 7000 26657 = 27/7xSPS

B2 Dump

B1 Dump

Mechanizm wstrzeliwania (iniekcji) cząstek: iniekcja z akceleratorów wstępnych

BOOSTER (1.4 GeV) PS (26 GeV) SPS (450 GeV) LHC

BOOSTER (4 pierścienie)

PS

h=1 h=7 (6 pakietówzapełnionych + 1 pusty)

Dwie iniekcje z BOOSTERado PS

Pakiet 1 Pakiet 2

Mechanizm iniekcji: iniekcja pomiędzy akceleratorami

BOOSTER

PSh=7

h=21

h=84

1.4 GeV

1.4 GeV

26 GeV

SPS

h=1

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 ~ 10-13atm; 10-8Pa,

wszystkie połączenia w stali nierdzewnej spawane

• - próżnia izolacyjna (dla izolacji termicznej)~ 10-5atm

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 S45

B2B1

194 mm420 mm

ADT Q5 Q6 Q7ACSACS

ACSACS

Tunel

Drugi jonowód

Nadajnik

Falowód

4xFour-cavity cryo module 400 MHz, 16 MV/beamNb on Cu cavities @4.5 K (=LEP2)Beam pipe diam.=300mm

D3 D4

Do każdej wnęki rezonansowej klistron o mocy 300kW

Wnęki rezonansowe w tunelu w pkt. 4

10 września 2008 - synchronizacja wnęki i pakietów protonowych

Długość paczki

czas

Kriogenika• Instalacje kriogeniczne dla potrzeb LHC

Pt 3

Pt 4

Pt 5

Pt 6

Pt 7

Pt 8

Pt 1

Pt 2

Pt 1.8

Cryoplant DistributionPresent Version

Cryogenic plant

Linia dystrybucyjna ciekłego helu o długości 3,3km

Elementy sytemu kriogenicznego

Przewodność cieplna He II

0

500

1000

1500

2000

1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

T [K]

Y(T

) ± 5

%

Tλ

( ) ( )K T,q q Y T

dTdX

qY(T)

q in W / cmT in KX in cm

2.4

3.4

2

& &

&

&

= ⋅

=

−

Miedź OFHC

Hel II

Diagram fazowy helu

1

10

100

1000

10000

1 10

T [K]

P [k

Pa]

SOLID

HeII HeI

CRITICAL POINT

GAS

λ line

Saturated He II

Pressurized He II

Wymiana ciepła pomiędzy helem przepływającym i magnesem

Przepływy helowe w komórce kriogenicznej LHC

LHC Standard Cell (106.9 m)

C

D

B

F

E

LHC magnet cryostat

TCV

2

SRV

CFV

TCV

2

TCV

1

TCV

1'

HX100

TCV

2

TCV

2

TCV

1'TC

V1

HX100

Beam screens

SRV

MB MQ MBMB MB MQ MBMB MB MQSupport posts

Supports and thermal shield

Thermal shield

SRV

L

XY

Cryogenic Distribution Line

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 magnesuG10 Glass-fibre Reinforced Epoxy

Blokada dopływu ciepła

Zasilanie ciekłym helem 4,5K (linia C’)

Łączniki do łoża aluminiowego ekranu termicznego 50-75 K

Płyty aluminiowe klejone do nogi kompozytu G-10

Aluminiowe łoże magnesuwspornikiem 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

baJbdBy +

= 0µ

xba

baJB

yba

baJB

y

x

+−

=

+−

=

)(

)(

0

0

µ

µ

Kabel nadprzewodzący

Drut nadprzewodzący

Dostępne materiały nadprzewodzące

Kryterium selekcji Liczba

Nadprzewodnik ∼ 10,000

Tc ≅10 K .and. Bc2 ≅ 10 T ∼ 100

Jc ≅ 1 GA/m2 @ B > 5 T ∼ 10

Nadprzewodnik do nawijania magnesów

∼ 1

Warunki występowania nadprzewodnictwa

R.Bailey, Aspen 2009 44

Łączenie uzwojeń magnesów

Cable Junction Box Cross-section

Upper Tin/Silver Soldering alloy Layer

Inter-Cable Tin/Silver Soldering Alloy Layer

Superconducting Cable in Copper

Stabilizer

Upper Copper Profile

Lower Copper U Profile

Lower Tin/Silver Soldering Alloy Layer

Completed Junction

Grzejnik quenchowy

Ekran wiązki

Energy stored in LHC magnets

Approximation: energy is proportional to volume inside magnet aperture and to the square of the magnet field

E dipole = 0.5 • L dipole • I 2dipole

Energy stored in one dipole is 7.6 MJoule

For all 1232 dipoles in the LHC: 9.4 GJ

Energy stored in twin dipole magnet: Estored 2Bdipole

2 length⋅ rdipole2⋅ π⋅

µ0:=

48

Energy stored in the beams

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 • 1011

Energy per beam: 346 MJoule

25 ns

• Schemat działania zabezpieczeń na wypadek przejścia rezystywnego

L1 (SC Magnet)

Cold diode

R (Energy Extraction)

Switch

Pow

er

Con

verte

r

L2 (SC Magnet) L154 (SC Magnet)

R

Quench Detectors V1-V2 ≠ 0

Quench Heaters

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

Za późno …

51

Schemat zrzucania wiązki

Q5R

Q4R

Q4L

Q5L

Beam 2

Beam 1

Beam Dump Block

Septum magnet deflecting the extracted beam H-V kicker

for painting the beam

about 700 m

about 500 m

Fast kicker magnet

Zasilanie sektora 7 - 8

53

Przepusty prądowe z nadprzewodników wysokotemperaturowych

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe w LHC

Quantity Current rating (A)

64 13000298 6000820 600

2104 60-120

Przepływ helu w przepustach prądowych

Kabel z 7 warstw nadprzewodnika BISCO 2223

10th of September

R.Bailey, Aspen 2009 57

Przejście rezystywne - awaria

R.Bailey, Aspen 2009 58

Hipoteza źródeł awarii

R.Bailey, Aspen 2009 59

Konsekwencje

Insulating vacuum barrier every 2 cells in the arc Some moved

100m

R.Bailey, Aspen 2009 60

Naprawa100m

Podziękowania:

L. EvansR. SabanR. BaileyK-H. MessK. Dahlerup-PetersenT. TaylorT.Obłąkowska-Mucha

Niob-Tytan

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)

Critical current density vs field measured on NbTi multiflamentray wire at 4.22 and 2.17 K

0100020003000400050006000700080009000

1000011000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Btot (T)J c

(A/m

m2 )

LHe HeII