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大型强子对撞机(LHC)的低温系统

2022-01-14 09:59     来源:中科富海     LHC欧洲核子研究中心粒子加速器

“ 这里是发现“上帝粒子”的地方”


 
2012年7月4日,欧洲核子中心(CERN)宣布大型对撞机上的CMS和ATLAS两个实验组分别探测到疑似希格斯子的新玻色子。2013年3月14日,正式确认了先前探测到的是希格斯子。至此,标准模型预言的 61 种基本粒子全部被实验证实。

图2CERN 鸟瞰图|图:搜狐

LHC 的隧道位于圆圈下约100 米,图中虚线为瑞士- 法国边界,下方为瑞士,上方为法国

01 背景

对撞机是一种有两束不同方向粒子束的粒子加速器。对撞机是粒子物理学十分重要的研究工具,它们可以将粒子加速到相对较高的动能,并让它们撞击其他粒子。分析碰撞产生的副产品可以帮助科学家们了解亚原子的结构和自然作用力的规律。这些副产品中很多只能通过高能碰撞产生,而且它们在很短的时间内就会衰变。因此,几乎没有其他方式可以进行研究。

02 LHC

由世界上最大的实验室--欧洲核子研究中心(CERN)在瑞士日内瓦附近建成的大型强子对撞机(LHC)是迄今为止世界上最大的科学装置,也是目前世界上最昂贵的科学装置(预算€75亿)。它于1994年正式立项,由100多个国家的超过10000位科学家经过14年建设,于2008年9月首次投入使用。

图3LHC示意图|图Wikipedia

LHC是一个环形的加速器,它建造在地下100米深的隧道中,环形隧道约26.7km长。粒子在环形隧道中运动,隧道中有强大的磁场约束粒子,这些磁场由超流氦冷却的超导磁体产生。粒子在隧道中运动时会被电场不断加速,使粒子获得极高的能量,在极短的时间内剧烈地碰撞,以便在空前微小的尺度上研究物质的结构和自然界的作用力。可以说是科学家研究微观世界的眼睛。

LHC的巨大规模给运行工作带来了挑战。磁体与粒子束中储存了大量的能量,运行时,磁体中储存了10GJ能量(约2400公斤TNT当量),两束粒子束中所携带的总能量为724MJ(约173公斤TNT当量)。在运行中,10e-7的束流损失就足以让超导磁体失超,此时每一束流有362 MJ能量(约87 公斤TNT当量)需要被吸收。在运行时如此巨大的能量储存在及其微少的物质中,束流管中的氢在标况下只有大约一粒沙子的体积。

表1LHC主要技术参数

Circumference

26.7

km

Beam energy in collision

7

TeV

Bending field

8.3

T

Luminosity

1034

cm-2·s-1

Operating temperature

1.9

K

Cold mass

3.6x10e7

kg

Helium inventory

9.6x10e4

kg


03 LHC真空及低温系统

LHC的低温系统是世界上最大的低温系统,也是地球上最冷的地方之一。LHC建造在一个约26.7km的隧道中,隧道中是环形超导加速器,可以提高粒子的能量。LHC的低温系统覆盖了整个环形超导加速器,可以为超导加速器的高场磁体提供超流氦温区的冷却(1.9K以下)(外太空温度约2.7K)。

约束粒子在27km的环形隧道内运动需要大约8.3T的磁场。产生这么高磁场需要11850A的电流通过导线,如果采用常规导线,由于电阻的存在,巨大的电流会使线圈迅速过热,因此只能采用超导材料制作磁体。LHC采用Ni-Ti导线绕制超导磁体,如图 4,只有在低温下这种材料才具有超导电性,因此磁体需要被超流氦冷却至约1.9K。

图 4超导线与普通道线|图:CERN

左边的铜线高11厘米,宽8厘米,长28厘米。它可以在室温下传导12,500安培的电流。当冷却到1.9 K时,右边的铌钛线圈进入超导状态,可以传导相同的电流

LHC的低温系统需要1.在两周的时间内将低温段从室温降至工作温度并积满液体2.维持超导磁体工作于1.9K以下的超流氦中3.承受系统中的冲击,并在两小时内恢复运行状态,同时尽量减少工质损失,维持系统稳定。除此之外,低温系统氦需要能够进行快速的降温、回温。为了确保可靠的运行,低温系统具有一定的设计裕量。LHC工作于低温环境中的磁体的冷质量约有36000t,磁体浸泡在约400m3的加压态超流氦中。同时也使用超临界氦来冷却冷屏,阻隔绝大部分外界环境的热负荷。LHC低温系统包含8台大型制冷机,每台制冷机可提供约18kW@4.5K的冷量。由于外部条件的限制,这些制冷机分布在五个低温站,如图 5。在正常运行时,制冷机不要液氮进行液氮预冷,但在降温模式下,需要液氮来提供冷量。

表2低温系统相关参数

Leak-tight pipe seals

40000

 

electricity

40

MW

helium

120

ton

vacuum

10e-6

mbar

LN2

10000

ton

Total cooling capacity (4.5 K)

150

kW

制冷机产生的低温流体经过传输管线分配至隧道中。每个低温站需要为1到2个相邻的隧道扇区提供冷量,这要求低温系统有能力在3.3km长的地下隧道传送并回收低温流体,传输分配系统如图 7。


图 5 8台制冷机的分布

图6含有两台制冷机的低温站的草图

图 7低温传输分配系统简图

LHC的低温系统不仅可提供数千瓦的制冷量,同时话能实现不同温度等级的制冷。

50K-75K,工作于此区间的冷屏是屏蔽外界漏热的第一道屏障;

4.5K-20K,非等温的beam screen工作于此温度区间;

1.9K,冷却磁体的超流氦温度不高于此温度;

4.5K-4.7K,超导磁体插入件、超导加速腔及HTS电流引线下端工作于此温度区间;

20K-300K,HTS电流引线的电阻区工作在此温区;

如图 8是氦在LHC中的不同的热力学状态。对于不同温度的冷量需求,如表 3所示。


图 8氦在LHC中的不同的热力学状态

图9某个扇区的1.9K热负荷随运行阶段的变化

当制冷机开始运行后,超导磁体降温过程可以分为3个阶段。首先,约10000t的液氮在制冷机内与氦气换热,将氦气预冷至80K,带动超导磁体降温。随后在透平膨胀机的作用下,降温至4.5K。当磁体浸泡在液氦中后,1.8K的制冷系统降温至约1.9K,进入常规运行状态。整个降温过程中的冷质量约3.6*10e7kg。

图 10LHC points

真空系统

自从2008年运行以来,LHC的真空系统就是世界上在运行的最大真空系统。其由三部分构成,分别是束线管真空、磁体真空及氦分配系统真空。为了避免与气体分子的碰撞,LHC中加速的粒子需要在类似于在太空中一样的真空中运动。在超导磁体及氦传输系统中,真空起到了绝热的作用,保证低温设备在1.9K的低温下运行。LHC的真空管道总长约104km。绝热真空管路超过50km,总容积约15000m3真空度维持在10e-6mbar。建造这个真空系统需要超过250000个焊接接头和约18000个真空密封件。束流真空管道约54 km,压力维持在10e-10~10e-11mbar之间,真空度几乎和月球表面相当。为了使得束流管内达到如此高的真空,需要使用低温泵抽出约9000m3气体,残留的气体会随着温度的降低吸附在束流管壁上。经过大约两周的抽气,真空度会降至10*e-10mbar。为了使室温端达到高真空,CERN开发了一种吸附涂层,这种涂层在加热时会吸附残留气体分子。同时室温端的部件还会定期经过300℃高温的烘烤,以便内部达到高真空。

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