R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 1

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3 Der LHC Beschleuniger: Technologie an der Grenze des Machbaren Der LHC Beschleuniger: Technologie an der Grenze des Machbaren Rüdiger Schmidt - CERN Berlin Oktober 2008 Energie und Kollisionsrate Der relativistische Hammerwerfer Technologie und Komplexität Gespeicherte Energie Inbetriebnahme

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 4 Energie und Kollisionsrate l Die Teilchenphysik braucht Kollisionen von Protonen (Wasserstoffkerne) mit einer Energie weit oberhalb von 1TeV (10 12 eV = 1Million 1Million eV) In einer Fernsehröhre werden Elektronen auf etwa eV beschleunigt l Um seltene Ereignisse zu beobachten, sollte die Kollisionsrate bei 10 9 / Sekunde pro Experiment liegen l Außerdem sollen Schwerionenstrahlen (z.B. Blei) kollidieren

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 5 LEP e+e- ( ) 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 Hauptgelände Schweiz Genfer See Frankreich LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde) SPS Beschleuniger CERN Prevessin CMS ALICELHCbATLAS

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 6 Der relativistische Hammerwerfer Die 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

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 7 Für die Kreisbahn braucht es 1232 supraleitende Ablenkmagnete bei 1.9 K, jeweils 15 m lang ausserdem viele andere Magnete, um die Teilchen für viele Stunden stabil auf der Bahn zu halten (1700 Hauptmagnete und etwa 8000 Korrekturmagnete) Querschnitt eines Dipol / Ablenkmagneten in der Ausstellung Quadrupolmagnet

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 8 Ablenkmagnete werden in den Tunnel abgesenkt März April 2007

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 9 Einfang von Surfern durch eine Welle zur BeschleunigungEinfang von Surfern durch eine Welle zur Beschleunigung 9 siehe Ausstellung: Salatschüsselbeschleuniger

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 10 Für die Beschleunigung braucht man hohe Spannungen, die durch Radiowellen erzeugt werden 16 supraleitende Hochfrequenzeinheiten mit 16 Millionen Volt

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 11 Beispiele technologischer Herausforderungen

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 12 Magnete und Kühlung l Supraleitende Magnete mit hohem Feld (8.3 Tesla) in superflüssigem Helium bei 1.9 K (entspricht C und hat eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit) auf einer Länge von etwa 20 km l Kälteanlage zur Kühlung bei 1.9 K, 4.5 K und höheren Temperaturen kälter als anderswo im Universum

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 13 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/ geregelt wird

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 14 Verbindung zwischen zwei Hauptmagneten (insgesamt gibt es 1700 solcher Verbindungen)

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 15 Teilchenstrahl ~1.3 mm 56.0 mm l Ultrahochvakuum für Strahlrohr l Isoliervakuum für die Kryostaten weniger Atome pro Volumen als auf der Mondoberfläche Vakuumsysteme Strahlrohr mit Innenschirm

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 16 ~40 m Viele Kollisionen brauchen viele Teilchen und kleine 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

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 17 Energie im Strahl Energie eines Protons bis zu 7 TeV = eV Energie in Strahl eV 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

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 18 Energie 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

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 19 Erster Strahlbetrieb: vom ersten Umlauf zum gespeicherten Strahl

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 20 Einschuss und erster Umlauf eines Teilchenpakets Injektion Dump Blöcke acht Bögen acht lange gerade Strecken (jeweils etwa 700m lang) IR1: ATLAS IR8: LHC-B IR2:ALICE IR7: Kollimatoren IR4: Hochfrequenz und Instrumentierung IR6: Extraktion der Stahlen IR3: Kollimatoren IR5:CMS Injektion

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 21 Einschuss und erster Umlauf eines Teilchenpakets IR5:CMS IR1: ATLAS IR8: LHC-B IR2:ALICE Injektion IR3: KollimatorenIR7: Kollimatoren IR4: Hochfrequenz und Instrumentierung IR6: Extraktion der Stahlen Dump Blöcke acht Bögen acht lange gerade Strecken (jeweils etwa 700m lang)

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 22 Einfang eines Pakets mit vielen Teilchen im elektromagnetischen Feld – der Strahl wurde für Stunden gespeichert 22 Courtesy E. Ciapala einzelner Umlauf etwa 100 Umläufe

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 23 Kontinuierlicher Fortschritt? ….. leider unrealistisch l The LHC ist eine Anlage von extremer Komplexität l Die Technologie ist an der Grenze des Machbaren l Der LHC ist sein eigener Prototyp l 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

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 24 Aufreissen der Verbindung zwischen Hauptverbindung 12 kA Verbindung

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 25 Zusammenfassung l Erster Strahlbetrieb: äußerst unproblematisch l Der LHC verhält sich mit Strahl äußerst "gutmütig" l Sorgfältige Inbetriebnahme der technischen Systems während zwei Jahren l Geplanter Strahlbetrieb im nächsten Frühjahr / Sommer l 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 Erfolg nicht durch Abwesenheit von Problemen, sondern weil Probleme identifiziert und mit kompetenten und motivierten Mitarbeitern gelöst werden

R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 26 Der LHC Beschleuniger wurde vom CERN während einer Dauer von über 20 Jahren mit der Unterstützung der CERN Mitgliedsstaaten gebaut Ausserdem gab es eine intensive Zusammenarbeit mit Labors aus vielen Ländern, z.B. die USA, Japan, Russland, Indien, Kanada, ausserdem Frankreich und Schweiz Die Industrie spielte bei dem Projekt eine wichtige Rolle Danke für Material von: R.Assmann, R.Bailey, E.Ciapala, L.Evans, Ph.Lebrun und anderen Danksagung