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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

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 4

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


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


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


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


Ablenkmagnete werden in den Tunnel abgesenkt Ablenkmagnete werden in den Tunnel abgesenkt März 2005März 2005 - - April 2007April 2007


““Einfang“ von Surfern durch eine Welle zur Einfang“ von Surfern durch eine Welle zur BeschleunigungBeschleunigung

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siehe Ausstellung: Salatschüsselbeschleuniger


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


Beispiele Beispiele technologischer technologischer

HerausforderungenHerausforderungen


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


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


Verbindung zwischen zwei Hauptmagneten Verbindung zwischen zwei Hauptmagneten (insgesamt gibt es 1700 solcher Verbindungen)(insgesamt gibt es 1700 solcher Verbindungen)


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


~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


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


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


Erster Strahlbetrieb: vom ersten Umlauf zum gespeicherten Strahl


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


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)


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


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


Aufreissen der Verbindung zwischen Aufreissen der Verbindung zwischen HauptverbindungHauptverbindung

12 kA Verbindung


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


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