forschen 1/2009 - Forschungscluster «Nuclear and Radiation Science

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Abbildung 2 (links)
Verbindung zwischen
zwei supraleitenden
Magneten, nach
Installation der
Magnete, bevor die
Verbindungen
gefertigt werden.
Dieses Bild macht die
Komplexität des LHCs
deutlich, es gibt etwa
1700 solcher Verbindungen.
Man erkennt
die supraleitenden
Kabel, die in einem
späteren Arbeitsschrittzusammengelötet
werden. Außerdem
sind verschiedene
Heliumleitungen
zu erkennen. In der
Mitte des Bildes befinden
sich die beiden
Strahlrohre für die
Teilchenstrahlen, die
in entgegengesetzten
Richtungen im Hochvakuum
umlaufen.
Abbildung 3 (rechts)
CERN Hauptkontrollraum,
von dem der
LHC gesteuert wird,
bei der ersten
Inbetriebnahme des
LHC mit dem Strahl
am 10. September
2008. Von diesem
Kontrollraum
werden alle CERN
Beschleuniger
gesteuert, normalerweise
allerdings nicht
in der Anwesenheit
von etwa 150 Gästen,
die der Inbetriebnahme
beiwohnten.
des Strahlrohres bleiben. Die Spulen der supraleitenden
Elektromagnete sind aus Kabeln gewickelt,
durch die der Strom ohne Widerstand und damit
ohne Energieverlust fließt. Die Magnete werden mit
etwa 150 Tonnen flüssigem Helium bei etwa 271°C
betrieben – kälter als im Weltall! Um das Magnetfeld
in den Ablenkmagneten zu erzeugen, dass etwa
200000 mal stärker als das Erdmagnetfeld ist, fließt
ein Strom von 12000 A durch die Spulen.
Damit die Teilchen nicht mit Gasatomen
zusammenprallen, laufen sie im Strahlrohr
in einem ultrahohen Vakuum, das
dem Vakuum im interplanetarem Raum
entspricht. Der Innendruck im LHC beträgt
10 -13 atm, zehnmal geringer als der
Druck auf dem Mond.
Die Strahlen im LHC werden an vier Stellen
zur Kollision gebracht, genau dort,
wo sich vier Detektoren befinden. Der
Teilchenstrahl wird auf einen Durchmesser
fokussiert, der mit 0.02 mm
kleiner ist als der Durchmesser eines
menschlichen Haares.
Die Kollisionen finden im Innern der Detektoren
statt. ATLAS (A Toroidal LHC
Apparatus) und CMS (Compact Muon Solenoid) sollen
primär das Higgs Teilchen nachweisen. Mit LHCb
(Large Hadron Collider beauty) soll die CP Verletzung
mit B-Mesonen untersucht werden. ALICE (A
Large Ion Collider Experiment) dient der Untersuchung
des Quark-Gluon Plasma, das bei der Kollision
von schweren Ionen entstehen sollte.
Wenn der Strahl auf einen Magneten träfe…..
Der LHC ist die komplexeste Maschine, die jemals
gebaut wurde. Dabei kann es immer zu technischen
Problemen kommen, wobei der Strahl aus der Bahn
gerät. Da im LHC Teilchenstrahl etwa 100 mal mehr
Energie gespeichert als an anderen Protonenbeschleunigern
ist das Thema des Maschinenschutzes
von zentraler Bedeutung.
Die TU Darmstadt hat in Zusammenarbeit mit
CERN und der GSI innerhalb der letzten Jahre zu
diesen Fragestellungen einiges beigetragen. Eine
der zentralen Fragen war, was eigentlich passiert,
wenn ein Strahl mit dem Durchmesser eines Bruchteils
eines Millimeters und der Energie eines ICE
auf die teuren supraleitenden Magneten trifft?
Um diese Frage zu beantworten, wurden komplexe
Rechnungen zur Wechsel-
Was passiert
eigentlich, wenn
ein Strahl mit
dem Durchmesser
eines Bruchteils
eines Millimeters
und der Energie
eines ICE auf die
supraleitenden
Magneten trifft?
wirkung des Strahls mit Materie
durchgeführt. Wenn
ein Teilchenpaket auf einen
Magneten trifft und die Teilchen
bis zu 2 Meter in den
Magneten eindringen, erwärmt
sich das Material
um einige hundert Grad.
Nur 25 Milliardstel Sekunden
später trifft das
nächste Paket auf und sorgt
für weitere Erwärmung. Im
Zentrum des Materials entsteht
ein hoher Druck und
die Dichte nimmt ab. Dadurch
können die folgenden
Teilchenpakete weiter in den Magneten eindringen.
Die Rechnungen zeigen, dass der gesamte Strahl
etwa 30 Meter in die Magneten eindringen kann.
Damit es dazu nie kommt, sind entlang des Strahlrohrs
etwa 4000 Strahlverlustmonitore eingebaut.
Die Monitore messen jeden noch so kleinen Stahlverlust
und können eine Schnellabschaltung auslösen.
In einem solchen Fall werden die Strahlen
aus dem Beschleuniger ausgelenkt, laufen durch
einen 800 m langen Seitentunnel und treffen
auf einen 8 m langen Graphitblock auf, in dem die
Strahlenergie in Wärme umgewandelt wird. Im
Rahmen einer Masterarbeit an der TU Darm-
stadt wurde das Verhalten der Strahlverlustmonitore
eingehend experimentell und theoretisch
untersucht.