Megkezdték a nagy hadronütköztető javítását

Mint arról korábban beszámoltunk, a CERN hatalmas új részecskegyorsítójában, a nagy hadronütköztetőben (LHC) a próbaüzemeltetés során olyan műszaki hiba jelentkezett szeptember 19-én, amely hosszú időre leállásra kényszerítette a kutatókat. A CERN legutóbb kiadott jelentése alapján bemutatjuk, hol tartanak a javítások.

Az első protonnyalábokat szeptember 10-én vezették körbe a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, az LHC-ban. Kilenc nappal később elektromos rövidzárlat és a hűtőrendszerben lévő hélium egy részének elszökése miatt a rendszert le kellett állítani. A hiba elhárításához előbb fel kellett melegíteni a 27 kilométeres gyűrű nyolc szektorából azt, ahol az esemény bekövetkezett. Most következhet maga a munka, amelynek során számos mágnest teljesen kicserélnek.

Korábban ismertettük az első vizsgálat eredményét, eszerint két mágnes között fellépett rövidzárlat indította el az eseménysort, amelynek végén nagy mennyiségű hélium került ki az alagútba.

A szakértők az elmúlt hetekben folytatták az üzemzavar részleteinek feltárását, a hibák elemzését. Most elkészült, december 5-én kiadott újabb jelentésükben már pontosan körvonalazták az elvégzendő javításokat, részegység-cseréket is. Az utolsó cserélendő mágnest a tervek szerint 2009 márciusának végén telepítik a helyére, ezután kezdődhet meg a rendszer lassú lehűtése. Június végén kezdődhetnek meg a gyorsítási próbák, nyáron pedig a fizikusok hozzáláthatnak a kísérletekhez, az adatok gyűjtéséhez.

Sok mágnest kell cserélni

Az újabb vizsgálatokkal megvárták, míg a gyorsító 3-4. szektora lassan szobahőmérsékletre melegedett fel. A helyszín tanulmányozása mellett laboratóriumi kísérleteket és modellszámításokat is végeztek. Az új elemzés megerősítette a korábbi vizsgálat alapvető megállapításait. Továbbra sem teljesen egyértelmű azonban a hibasorozat elindító lépése, a legelső műszaki probléma, ugyanis a két mágnes elektromos összeköttetése szétolvadt a zárlatban. Laboratóriumban is elő tudtak idézni hasonló jelenséget, ha nem volt megfelelő az összekötés.

Megállapították, hogy a lehűtött részeket körülölelő vákuumrendszer biztonsági szelepe nem győzte a hélium kiengedését, nem ekkora anyagmennyiség kibocsátására tervezték. A vákuumtérben kialakult megnövekedett nyomás pedig olyan erőhatást váltott ki, amely eltörte a mágnes alátámasztását, a mágnes elmozdult, és ezzel újabb másodlagos káresemények indultak be.

A 3-4. szektorban 154 szupravezető dipólmágnes és 55 szupravezető kvadrupólmágnes működik. A vizsgálatokhoz 66 helyen bontották meg a mágnesek közti kapcsolatot, így könnyen hozzáfértek a károsodott részekhez. A következő hetekben összesen 39 dipólmágnest és 14 kvadrupólmágnest hoznak a felszínre a 100 méter mélyen fekvő alagútból. 19 dipól és 9 kvadrupól már kint is van, a többiek kiszállítását az év végéig befejezik.

Még kétezer műszer, még 160 kilométer kábel

Endoszkópos módszerekkel keresték korom és más szennyezések nyomát a gyorsítócsövekben. Csak azok a részek voltak szennyezettek, amelyek a kiemelésre ítélt mágnesekben futottak, tehát további gyorsítócsőszakaszokat nem kell megbontani. A baleset helyszínétől távol is találtak viszont a többrétegű vákuumszigetelésből leszakadt anyagdarabkákat, ezeket majd a vákuumrendszer esedékes tisztítása során távolítják el; az alkalmazandó módszert már sikeresen kipróbálták.

A helyreállítás során új, érzékeny detektorokat építenek be a teljes rendszerbe azzal a céllal, hogy jelezzék, ha a normálistól eltérő elektromos ellenállást észlelnek az összeköttetéseknél. A következő hónapokban mintegy 2000 elektromos műszerkeretet építenek be, 160 kilométer új kábellel.

A hűtőrendszer vákuumszigetelő részébe további biztonsági szelepeket szerelnek, a kibocsátási keresztmetszetet a jelenlegi nyolcszorosára növelik. Így elérhető lesz, hogy nagyobb héliumkiszabadulás esetén se haladja meg a vákuumrendszerben a nyomás az eredetileg tervezett, biztonságos fél bart. További vészhelyzeti kibocsátó megoldásokat is terveznek, ezek elkészültével a kibocsátási keresztmetszet a 40-szeresére nő. Ez képes lesz a szeptember 19-én kiszabadult héliummennyiség dupláját is biztonságosan kezelni.

Tisztítják a mágneseket

A felszínre szállított mágneseket alaposan megvizsgálják. A legkevésbé károsodottak kriosztát-rendszerük szétszerelése nélkül újra felhasználhatóak lesznek, csak gyorsítócső-szakaszaikat kell kicserélni, vagy megtisztítani. Ha a kriosztát-rendszer és a többrétegű szigetelés elszennyeződött, akkor a rendszert szétszedik, megtisztítják, kicserélik a többrétegű szigetelést, de aktív részüket (az ún. "hideg tömeget") megőrzik. Ha a hideg tömeg is megsérült, akkor a mágnest új hideg tömeggel építik újjá. Tartalék alkatrész van elegendő, és a készletek feltöltésére máris rendeltek újakat. Beépítés előtt a mágnesek hasonló próbákon, ellenőrzéseken esnek majd át, mint a gyorsító eredeti összeszerelésénél.

A mágnesek felszállítását az év végére befejezve január elején látnak hozzá a javításokhoz lent az alagútban. A mágnesek cseréje március végére zárulhat le, két új mágnest már a múlt héten levittek az alagútba. A mágnesek összekötését februárban kezdik meg, május végére végeznek vele. Ezután következnek a nyomáspróbák és a rendszer lassú lehűtése. Június végén, a mintegy 4,5 milliárd forintba kerülő javítómunka lezárása után indulhatnak meg a gyorsítási próbák, majd a várva várt ütközések.

A meghibásodás eseményei

Szeptember 19-én fokozatosan növelték az áramot a fő dipólkörben 10 amper/másodperc ütemben. 8,7 kiloamper áramerősségnél egy ellenálló zóna alakult ki egy másodpercnél rövidebb idő alatt. Az áramforrás nem tudta fenntartani az áram további növelését, ezért lassú kisütési üzemmódban, 0,46 másodperc alatt kikapcsolt. Ellenállásokat iktatott be az áramkörbe, hogy ezzel biztosítsa az áram gyors lecsökkenését. A folyamatban érintett részegységek a várakozásnak megfelelően reagáltak.

Egy másodpercen belül elektromos ív alakult ki, emiatt kilyukadt a héliumrendszer, a hélium átkerült a hűtőrendszer vákuumszigetelésébe. 3-4 másodperc elteltével mindkét gyorsítócsőben, ahol majd a részecskenyalábok mozognak, szintén leromlott a vákuum. Ezt követően a szigetelő vákuum a két szomszédos alszektorban is romlani kezdett.

A mágnesek hűtésének vákuumszigetelésében az oda beszivárgott hélium miatt megnőtt a nyomás, és amikor az meghaladta a légköri nyomást, akkor kinyitott egy szelep, és kiengedte a héliumot az alagútba. A három érintett alszektorból mintegy 2 tonna hélium került ki. A héliumfelhő oxigénhiányt idézett elő, ezért az alagút falán lévő riasztó érzékelők vészmegállást indítottak el. Megszüntették a 3-4-es szektor elektromos energiaellátását és az egyéb szolgáltatásokat. A hélium lassabb ütemben tovább szivárgott a lyukakon, és mire az elektromos áram visszakapcsolásával lehetővé vált a hűtőrendszer szelepeinek zárása, további 4 tonna hélium veszett el. A szektor eredetileg 15 tonna héliumából így 6 tonna került ki az alagútba. Ennek ellenére sem tudták fenntartani a megkívánt 0,15 megapascal nyomást az alszektorban, ezért nagy erő hatott a szomszédos alszektoroktól elválasztó vákuumkorlátokra.

Lerakták a szuper-LHC "alapkövét"

Robert Aymar, a CERN főigazgatója egy földmunkagépet kormányozva elindította a Linac4 gyorsító építését (lásd a képen). A 2013-ra elkészülő új gyorsító az LHC továbbfejlesztett változatának, a szuper-LHC-nak (SLHC) része lesz. A 2017-ben záruló fokozatos átépítés eredményeként létrejövő szuper-LHC-ban alapjában véve egyetlen, de nagyon lényeges jellemző adat változik meg: tízszer több proton-proton ütközés megy majd végbe időegység alatt, mint az LHC-ban. A szuper létrehozása az előgyorsítórendszer alapos átépítését igényli, ennek első lépése az új lineáris gyorsító építésének megkezdése.

A mai előgyorsítórendszer első eleme, a Linac2 nemrég volt harmincéves. Nulláról 50 megaelektronvolt (MeV) energiára gyorsítja a protonokat; utódjánál, a 80 méter hosszú Linac4-nél 160 MeV lesz a protonok energiájára, amikor átkerülnek a következő gyorsítóba.

A Linac4 építésében francia, indiai, orosz, pakisztáni és szaúd-arábiai intézetek vesznek részt. A CERN hagyományait követve az új berendezés építésénél felhasználnak működőképes régi részegységeket is. Az LHC alagútjában korábban a nagy elektron-pozitron gyűrű, a LEP működött, többek között ennek rádiófrekvenciás tápegységeit hasznosítják a Linac4-ben.