LHC Status: Run III

Kühlsystem
Damit die Supraleitfähigkeit der Magnete gewährleistet ist, müssen sie auf 1.9 K (-271.3 °C) abgekühlt werden. Um das zu ermöglichen wurde das weltgrösste Kühlsystem konstruiert. Das Aufwärmen bzw. das Abkühlen eines Sektors des LHC Rings, dauert jeweils 1 Monat. Die Magnete des LHC Speicherringes und der grossen Detektoren, werden zuerst mit 6000 Tonnen flüssigem Stickstoff auf 80 Kelvin (-193°C) vorgekühlt und dann mit insgesamt 140 Tonnen flüssigem Helium, nahe an den absoluten Nullpunkt, auf 1.9 Kelvin (-271.3°C) abgekühlt. Die bis zu 15 Meter langen Dipolmagnete, schrumpfen dabei um mehrere Zentimeter. Spezielle Verbindungspuffer, Ventile und ca. 40000 Dichtungen sind nötig, damit das gesamte System dicht bleibt. Helium ist als einziger Stoff dazu geeignet, um den hohen Anforderungen der Kühlung gerecht zu werden. Unterhalb von 2.2 Kelvin wird Helium zu Helium II. Dieser Zustand besitzt eine rund eine Million mal höhere Wärmeleitfähigkeit als normales Helium. Zudem ist Helium II suprafluid, d.h. es fliesst ohne jegliche Reibung und gelangt durch kleinste Öffnungen. Deshalb erfordert der Umgang mit Helium II spezielle Materialen die diesen Anforderungen gerecht werden können.


Aktuelle Durchschnittstemperatur aller Sektoren Quelle: CERN



Verteilung

Damit alle supraleitenden Magnete ständig mit Helium versorgt werden, wurde ein ausgeklügeltes Verteilernetzwerk installiert. Auf der Erdoberfläche sind an 8 Stellen oberhalb des Ringes spezielle Kühlkompressoren, mit einer Leistung von je 18000 Watt errichtet. Jeder liefert zwei Heliumströme; einen gasförmigen Strom mit einer Temperatur von 50 Kelvin und einen flüssigen mit 4.5 Kelvin. Die Heliumströme werden dann in etwa hundert Meter Tiefe geschickt. Unter Tage wird das tiefkalte Helium über ein komplexes Verteilsystem den Ringelementen zugeführt und durchströmt Magnetspulen und Kühlmäntel.


18 KW Kompressorsystem Quelle: CERN


Standorte der 8 Hauptkomressoren Quelle: CERN


Heliumtanks Quelle: CERN


Einbau der Helium Verteilerrohre im LHC Tunnel Quelle: CERN



Cold Compression System (CCS)

Das Cold Compression System (CCS) sorgt für noch tiefere Temperaturen. Um eine Temperatur von 1.8 Kelvin (-271.4 °C) zu erreichen, wird der Heliumdruck durch mehrstufige Turboverdichter auf einen Absolutwert von 16 Millibar gesenkt. Ausserdem musste die 1.4 % Neigung des LHC Ringes berücksichtigt werden. Durch sie muss das Kühlmittel z.T. mit und z.T. gegen die Gravitation gepumpt werden. Dies ist problematisch, da es dadurch zu Druckschwankungen kommt, welche wiederum die Temperatur des Heliums beeinflussen. Hinzu kommt noch, dass auch während des Aufwärmens bzw. Abkühlens, die Temperatur innerhalb eines der 15 Meter langen Magnete, nicht um mehr als 75 K variieren darf. Die Verteilung des Heliums innerhalb der Magnetmodule regeln Spezialventile für tiefste Temperaturen. Die Ventile werden von druckluftbetriebenen Antrieben bewegt, da die Strahlenbelastung in den Magneten, elektrisch betriebene Ventile beeinflussen oder gar zerstören könnte. Die supraleitenden Magnete selbst sind mit ruhendem Helium II umgeben, das die Wärme aufnimmt und sie über eine Leitung, durch die He II fliesst, abführt.


Cold Compression System Quelle: CERN


Heliumverteilung innerhalb eines Magnetmoduls Quelle: CERN