R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine
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Der LHC Beschleuniger: Der LHC Beschleuniger: Technologie an der Grenze Technologie an der Grenze
des Machbarendes MachbarenRüdiger Schmidt - CERN
Berlin Oktober 2008
Energie und KollisionsrateDer relativistische HammerwerferTechnologie und Komplexität Gespeicherte Energie Inbetriebnahme
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Energie und Kollisionsrate Energie und Kollisionsrate
Die Teilchenphysik braucht Kollisionen von Protonen
(Wasserstoffkerne) mit einer Energie weit oberhalb von
1TeV (1012 eV = 1Million 1Million eV)
• In einer Fernsehröhre werden Elektronen auf etwa 15000 eV beschleunigt
Um seltene Ereignisse zu beobachten, sollte die
Kollisionsrate bei 109 / Sekunde pro Experiment liegen
Außerdem sollen Schwerionenstrahlen (z.B. Blei)
kollidieren
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LEP e+e-
(1989-2000)
Tunnel mit einem Umfang von 26.8 km
LHC Entwicklung seit den 80er Jahren
Offizieller Projektstart 1995
Installation zwischen 2003 und 2008
Protonenstrahlen kollidieren in vier Punkten
CERN Hauptgeländ
e
SchweizGenfer See
Frankreich
LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde)
SPS Beschleuniger
CERN Prevessin
CMS
ALICE
LHCb
ATLAS
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Der relativistische HammerwerferDer relativistische HammerwerferDie Protonen werden auf die Energie von 7 TeV beschleunigt
….und mit starken Magnetfeldern auf einer Kreisbahn gehalten
Zur Beschleunigung laufen die Protonen etwa 7 Millionen mal um, und werden bei jedem Umlauf mit einer Spannung von etwa 1 Millionen Volt beschleunigt
450 GeV
7 TeV
20 min
Energie
Zeit
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Für die Kreisbahn braucht es 1232 supraleitende Für die Kreisbahn braucht es 1232 supraleitende Ablenkmagnete bei 1.9 K, jeweils 15 m lang Ablenkmagnete bei 1.9 K, jeweils 15 m lang
ausserdem viele andere Magnete, um ausserdem viele andere Magnete, um die Teilchen für viele Stunden stabil auf die Teilchen für viele Stunden stabil auf der Bahn zu halten der Bahn zu halten (1700 Hauptmagnete (1700 Hauptmagnete und etwa 8000 Korrekturmagnete)und etwa 8000 Korrekturmagnete)
Querschnitt eines Dipol / Ablenkmagneten in der Ausstellung
Quadrupolmagnet
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Ablenkmagnete werden in den Tunnel abgesenkt Ablenkmagnete werden in den Tunnel abgesenkt März 2005März 2005 - - April 2007April 2007
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““Einfang“ von Surfern durch eine Welle zur Einfang“ von Surfern durch eine Welle zur BeschleunigungBeschleunigung
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siehe Ausstellung: Salatschüsselbeschleuniger
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Für die Beschleunigung braucht man hohe Für die Beschleunigung braucht man hohe Spannungen, die durch Radiowellen erzeugt werdenSpannungen, die durch Radiowellen erzeugt werden
16 supraleitende Hochfrequenzeinheiten mit 16 Millionen Volt
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Beispiele Beispiele technologischer technologischer
HerausforderungenHerausforderungen
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Magnete und KühlungMagnete und Kühlung
Supraleitende Magnete mit hohem Feld (8.3 Tesla) in superflüssigem Helium bei 1.9 K (entspricht -271 0C und hat eine
extrem hohe Wärmeleitfähigkeit) auf einer Länge von etwa 20 km
Kälteanlage zur Kühlung bei 1.9 K, 4.5 K und höheren Temperaturen
kälter als anderswo im Universum
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Komplexität des Beschleunigers Komplexität des Beschleunigers
18 von etwa 1600 Stromzuführungen mit Hochtemperatursupraleitern für ~10000 Magnete und ~1700 elektrische Kreise mit hohem Strom, der mit einer Präzision vom ~1/1000000 geregelt wird
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Verbindung zwischen zwei Hauptmagneten Verbindung zwischen zwei Hauptmagneten (insgesamt gibt es 1700 solcher Verbindungen)(insgesamt gibt es 1700 solcher Verbindungen)
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Teilchenstrahl ~1.3 mm
56.0 mm
Ultrahochvakuum für Strahlrohr Isoliervakuum für die Kryostaten
weniger Atome pro Volumen als auf der Mondoberfläche
VakuumsystemeVakuumsysteme
Strahlrohr mit InnenschirmStrahlrohr mit Innenschirm
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~40 m
Viele Kollisionen brauchen viele Teilchen und Viele Kollisionen brauchen viele Teilchen und kleine Strahlenkleine Strahlen
In jedem Strahl etwa 3000 Teilchenpakete mit je 100 Milliarden Protonen und ein Strahldurchmesser von etwa 40 m am Kollisionspunkt im Detektor (dünner als ein Menschenhaar)
Experiment
40 m
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Energie im StrahlEnergie im Strahl
Energie eines ProtonsEnergie eines Protons bis zu 7 TeV = 7000000000000 eVbis zu 7 TeV = 7000000000000 eV
Energie in StrahlEnergie in Strahl7000000000000 eV 7000000000000 eV 3000 3000 100 Milliarden = 350 MJoule 100 Milliarden = 350 MJoule
360 MJoule: Die kinetische Energie in einem 200 m langen ICE bei 150 km/h entspricht der
Energie von 350 MJoule in einem Strahl
15 kg Schokolade8 Liter Benzin
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Energie im MagnetsystemEnergie im Magnetsystem
10 GJoule: die Energie eines A380 bei 700 km/hour entspricht
der Energie, die im LHC Magnetsystem gespeichert ist
system:
damit könnte man 12 Tonnen Kupfer zum schmelzen bringen !!
Im Magnetsystem ist eine Energie von etwa 10 GJoule gespeichert
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Erster Strahlbetrieb: vom ersten Umlauf zum gespeicherten Strahl
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Einschuss und erster Umlauf eines
Teilchenpakets
Injektion
Dump Blöcke
acht Bögen
acht lange gerade Strecken (jeweils etwa 700m lang) IR1: ATLAS
IR8: LHC-BIR2:ALICE
IR7: Kollimatoren
IR4: Hochfrequenz und Instrumentierung
IR6: Extraktion der Stahlen
IR3: Kollimatoren
IR5:CMS
InjektionInjektion
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Einschuss und erster Umlauf eines
TeilchenpaketsIR5:CMS
IR1: ATLAS
IR8: LHC-BIR2:ALICE
InjektionInjektion
IR3: Kollimatoren IR7: Kollimatoren
IR4: Hochfrequenz und Instrumentierung
IR6: Extraktion der Stahlen
Dump Blöcke
acht Bögen
acht lange gerade Strecken (jeweils etwa 700m lang)
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Einfang eines Pakets mit vielen Teilchen im Einfang eines Pakets mit vielen Teilchen im elektromagnetischen Feld – der Strahl wurde felektromagnetischen Feld – der Strahl wurde für ür Stunden gespeichertStunden gespeichert
22Courtesy E. Ciapala
einzelner Umlauf
etwa 100 Umläufe
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Kontinuierlicher Fortschritt? ….. leider unrealistischKontinuierlicher Fortschritt? ….. leider unrealistisch
The LHC ist eine Anlage von extremer Komplexität Die Technologie ist an der Grenze des Machbaren Der LHC ist sein eigener Prototyp
Diverse Probleme wurden während Entwicklung und Bau gelöst: Ablenkmagnete, Heliumverteilerlinie, Kollimatoren, Fokussiermagnete für Experimente, Hochfrequenzfinger (PiMS), …
19 September, 10 Tage nach erstem Strahlbetrieb: Aufreissen einer supraleitenden Verbindung zwischen zwei Ablenkmagneten bei Standardtests bei einem Strom von 9 kA• Aufwendige Reparatur
• Der Schaden ist auf einen kleinen Bereich des LHC begrenzt
• Arbeiten zur zukünftigen Vermeidung eines solchen Vorfall
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Aufreissen der Verbindung zwischen Aufreissen der Verbindung zwischen HauptverbindungHauptverbindung
12 kA Verbindung
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ZusammenfassungZusammenfassung
Erster Strahlbetrieb: äußerst unproblematisch Der LHC verhält sich mit Strahl äußerst "gutmütig" Sorgfältige Inbetriebnahme der technischen Systems während
zwei Jahren Geplanter Strahlbetrieb im nächsten Frühjahr / Sommer Langsames Hinarbeiten zu nominalen Parametern
Es wurde häufig gesagt, dass beim LHC Kontraste wie das ganz Grosse und das ganz Kleine dicht beieinander liegen
….das lässt sich sicher auch für die Emotionen sagen, Begeisterung beim Einschalten, und Enttäuschung am 19.9.
Erfolg nicht durch Abwesenheit von Problemen, sondern weil Probleme identifiziert und mit kompetenten und motivierten Mitarbeitern gelöst werden
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Der LHC Beschleuniger wurde vom CERN während einer Dauer von Der LHC Beschleuniger wurde vom CERN während einer Dauer von über 20 Jahren mit der Unterstützung der CERN Mitgliedsstaaten über 20 Jahren mit der Unterstützung der CERN Mitgliedsstaaten gebautgebaut
Ausserdem gab es eine intensive Zusammenarbeit mit Labors aus Ausserdem gab es eine intensive Zusammenarbeit mit Labors aus vielen Ländern, z.B. die USA, Japan, Russland, Indien, Kanada, vielen Ländern, z.B. die USA, Japan, Russland, Indien, Kanada, ausserdem Frankreich und Schweiz ausserdem Frankreich und Schweiz
Die Industrie spielte bei dem Projekt eine wichtige RolleDie Industrie spielte bei dem Projekt eine wichtige Rolle
Danke für Material von:
R.Assmann, R.Bailey, E.Ciapala, L.Evans, Ph.Lebrun und anderen
DanksagungDanksagung