Deeltjesdetectoren op de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN houden het ‘hoofd’ koel met LEWA-diafragma-meetpompen. De speciaal aangepaste voeren continu vloeibare kooldioxide in het koelcircuit van de detectoren toe bij temperaturen tot -55 °C.
CERN
Het nieuwe detectorkoelsysteem maakt deel uit van de Phase 2 Upgrade bij CERN. Dat moet de luminositeit (botsingssnelheid) van de LHC met een factor tien verhogen. Dat maakt nieuwe ontdekkingen mogelijk met name op gebieden als donkere materie en de fundamentele aard van het Higgs-boson, ofwel het ‘Goddeeltje’.
De Zwitserse Large Hadron Collider bestaat uit een ringtunnel van ongeveer 27 kilometer lang met vier meetpunten, waaronder de ATLAS- en CMS-detectoren. ATLAS is 46 meter lang en 25 meter in diameter terwijl CMS, met een gewicht van 12.500 ton, de zwaarste is. Deze detectoren gebruiken precisiemetingen om het pad, het impuls en de energie van de vrijgekomen deeltjes vast te leggen. Dat maakt ze individueel identificeerbaar en te meten nadat de versnelde protonen botsen.
CO2-koelsystemen
Bedrijfstemperaturen tot -55 °C zorgen voor precisie en het niet beschadigen van de nieuwe siliciumsensoren door hoge stralingsdoses. Jérôme Daguin, koelingingenieur en CMS koelcoördinator bij CERN legt het uit. “ATLAS en CMS zullen een tweefasig CO2-koelsysteem gebruiken voor al hun siliciumtrackers en eindkapsel-calorimeterdetectoren. Dat impliceert in vergelijking met andere geschikte koelmedia een milieuvriendelijke optie. Het systeem maakt een hoge warmteoverdracht mogelijk bij een lage viscositeit en een temperatuurbereik dat zich leent voor het bedienen van de detector.”
Om het koelmedium precies en veilig te introduceren, werkt CERN opnieuw samen met pompexperts van LEWA. De Zwitserse dochteronderneming LEWA Switzerland AG leverde al pompen voor het gebruik van vloeibare CO2 aan andere faciliteiten op de onderzoekcampus.
Specificaties
“We kregen een behoorlijk ambitieuze lijst met eisen. Dat vereiste enkele, heel speciale aanpassingen die we tijdens de prototypeontwikkeling uitvoerden”, aldus Wieland Wolff, Area Sales Manager van LEWA Switzerland AG.
Zo vormden de extreem lage bedrijfstemperaturen een uitdaging en mag de pompaandrijfunit niet in contact komen met de koude CO2. Dat resulteerde in een afstandsbedieningsontwerp waarbij de klepkop apart van het verplaatsingssysteem van de pomp werd geïnstalleerd. En de fabrikant voorzag een speciale siliconenolie met geschikte afdichtingen. Een grotere membraanpompkop verminderde de mechanische spanning en het risico op scheuren of scheuren in het membraan. Het koelmedium en de hydraulische olie in de pompkop worden alleen gescheiden door het dunne PTFE-membraan. Dat vereist olie voor lage temperaturen die niet kan bevriezen. Bovendien mag de doorgeschakelde temperatuur bij de aandrijfeenheid niet onder de -20 °C dalen. De ingenieurs voegden een reciproke leiding toe waarin de hydraulische olie kan opwarmen en de -55 CO2 niet de aandrijfunit bereikt.
Om te voorkomen dat de CO2-waarschuwingsalarmen per ongeluk na installatie op locatie afgingen, kregen de hermetisch strakke units een PTFE-bekleding bij de flensverbindingen en kritieke punten zoals de lenspakkingen. Daarnaast pasten de ontwerpers de aandrijfunit en de aandrijfkop aan om geschikte meetpunten voor CERN-instrumenten te bieden.
Pompen
In totaal komen er 18 LEWA ecoflow LDG-pompen voor het koelen van de ATLAS- en CMS-detectoren. Ze zitten dan in de dienstgrotten, buiten het stralings- en magnetische veldgebied dat in de experimentele grotten voorkomt. Hierdoor kan de operator de pompen vanuit de controlekamer bedienen via elektrische slagaanpassing en een frequentieomvormer.
Na afronding van het project in 2028 zullen de geïnstalleerde pompen de elektronica en de siliciumsensoren in de LHC-detectoren koelen. Dat gebeurt via een netwerk van transferleidingen, distributieverzamelaars en kleine koelpijpen die in contact staan met de siliciumsensoren.
“Ze vormen het kernelement van de koelunits voor de Phase 2 Upgrade siliciumdetectoren van de ATLAS- en CMS-experimenten bij CERN”, legt Daguin uit.
Voor de LEWA pompexperts gaat de zoektocht naar antwoorden door. “Samen met de experts ter plaatse willen we buigcyclustests uitvoeren waarmee we de levensduur van de pompmembraanen in continue werking volledig kunnen onderzoeken. Dit voorstel kwam van CERN en onderstreept de uitstekende samenwerking en ons gezamenlijke doel, namelijk dat alle betrokkenen van het project moeten profiteren”, besluit Wolff.
