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Magnetfeld
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Das Magnetfeld der supraleitenden Magnete des LHC und der
Detektoren besitzt einen sehr hohen Energieinhalt. Das stärkste
Magnetfeld, in Bezug auf den Energieinhalt, wird durch den Magneten
des CMS-Detektors erzeugt. Diese weltweit grösste, supraleitende
Zylinderspule liefert ein Magnetfeld von 4 Tesla und erreicht einen
Energieinhalt von 2.5 Gigajoule. Damit könnten rund 18 Tonnen
Gold eingeschmolzen werden. Die grösste Herausforderung beim Betrieb von
supraleitenden Magneten, liegt in der Vermeidung eines sogenannten
Quenchs. |
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Quench
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Überschreitet ein Supraleiter die kritische Temperatur,
wird er normalleitend. Dieser Vorgang wird als Quench bezeichnet. In
den supraleitenden LHC-Komponenten, ist dieser Effekt natürlich sehr
unerwünscht, da ein Quench dort zu einer lokalen
Temperatursteigerung führen kann, die den Magneten beschädigen
würde. Im schlimmsten Fall könnte die gesamte Energie, die in einer
Spule gespeichert ist, in Wärme umgesetzt werden. Besonders
problematisch ist, dass bereits Schwankungen im Millijoule-Bereich
einen Quench auslösen können. Mögliche Ursachen wären z.B. in den
supraleitenden Kabeln induzierte Kreisströme, fehlerhafte
Veränderungen der Magnetfeldstärke, geringste Bewegungen der
supraleitenden Strukturen (z.b. durch thermische Spannungen
hervorgerufen), unabsichtlich deponierte Strahlenergie, Fehler im
Kühlsystem, etc..
Diesen Gefahren werden beim LHC mit diversen Sicherheitssystemen
entgegengewirkt. Diese bestehen zunächst darin, einen Quench zu
detektieren. Geschieht dies, wird innerhalb der ersten 200 ms nach
dem Auftreten des Quench, der Strom des betroffenen Magneten über
eine Bypassdiode umgeleitet. Außerdem wird der Magnet mit Hilfe von
Quench Heatern (einer 0,1 µm dicken Kupfer-Stahl-Schicht auf der
Spule) geheizt, so dass sich die thermische Energie im Magneten
verteilt, anstatt sich lokal zu konzentrieren. Ausserdem wird
dadurch die Wärmekapazität der Spule ausgeschöpft. Dies führt dazu,
dass die Temperatur in der Spule langsamer ansteigt. |
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Zwischenfall 19. September 2008
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Während eines Systemtests der Stromversorgung, kam es
aufgrund einer fehlerhaften Verbindungsstelle zwischen einem
Dipolmagneten und einem Quadrupolmagneten, im Sektor 3-4 zu einem
Anstieg der Stromstärke auf 8700 Ampere. Dies führte innerhalb einer
Sekunde zu einem Lichtbogen, der ein Loch in den Heliummantel und in
die Vakuumisolierung schmolz. Durch die darauffolgende Erwärmung des
flüssigen Heliums, kam es zu einer explosionsartigen Ausdehnung des
Edelgases. Diese Druckwelle war so stark, dass sie von den
Entlastungsventilen nicht mehr aufgefangen werden konnte. Die
Druckwelle riss mehrere der tonnenschweren Magnete aus ihrer
Verankerung. Insgesamt traten einige tausend Liter flüssiges Helium
aus. Während des Vorfalls befanden sich keine Teilchenpakete im LHC
Speicherring.
Durch die am CERN getroffenen Sicherheitsmassnahmen bestand zu
keinem Zeitpunkt Gefahr für den Menschen. Insgesamt mussten 53
supraleitende Magnete ausgetauscht oder repariert werden. Die genaue
Ursache für die fehlerhafte Verbindungsstelle ist weiterhin unklar.
Da die besagte fehlerhafte Verbindung durch den Lichtbogen
verglühte, können nur Vermutungen gemacht werden (Materialfehler,
menschliche Nachlässigkeit, etc.).
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Quench Protection System (QPS)
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Nach dem Vorfall am 19. September 2008 wurde das gesamte
Kontrollsystem, dass die supraleitenden Magnete überwacht mit zusätzlichen Sensoren
ausgerüstet.
Das neue Quench Protection System besteht aus 2132 Detektoren, die kleinste Änderungen
der Widerstände (bis auf ein milliardstel Ohm genau) registrieren können. Dazu kommen noch 4000 Sensoren die anderweitige Aufgaben übernehmen.
Dieses Frühwarnsystem soll in Zukunft Vorfälle solcher Art verhindern oder Schäden so
klein wie möglich halten. |
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Diese fehlerhafte Verbindung führte
zum Zwischenfall am 19.Sept. 2008 |
Quelle: CERN |
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Betroffener Bereich im Sektor 3-4 |
Quelle: CERN |
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Verbogene Verbindungsstelle zwischen zwei supraleitenden
Magneten |
Quelle: CERN |
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