Ein ermutigender Start für Lauf 3

Sehen in

Von Mike Lamont

Mike Lamont ist Direktor für Beschleuniger und Technologie

31. August 2022

In herausfordernden Zeiten ist es beruhigend zu sehen, dass der Beschleunigerkomplex des CERN wieder voll funktionsfähig ist und die Physik an die Experimente bei ISOLDE und HIE-ISOLDE, n_TOF, AD-ELENA, der East Area, der North Area, AWAKE, HiRadMat und CLEAR geliefert wird und natürlich der LHC – ungeachtet des derzeitigen vorübergehenden außerplanmäßigen Stopps – und großartige Arbeit, die mit Teststrahlen und an den Bestrahlungsanlagen geleistet wird.

Auf der LHC-Seite kam es nach einer umfassenden Wiederinbetriebnahme mit Strahl zu den ersten Kollisionen mit eingeschalteten Detektoren am Tag, nachdem wir den 10. Jahrestag der Entdeckung des Higgs-Bosons gefeiert hatten. Auf die ersten stabilen Strahlen folgte eine Phase der verschachtelten Inbetriebnahme und des Intensitätsanstiegs. Jedes Jahr wird die Anzahl der Bündel pro Balken sorgfältig schrittweise erhöht, wobei die Genehmigung durch das Maschinenschutzgremium nach einer festgelegten Zeitspanne/Anzahl der Füllungen bei einer bestimmten Konfiguration erfolgt. In diesem Jahr stieg der LHC innerhalb von fünfeinhalb Wochen von 72 auf 315, 603, 987, 1227, 1551, 1935, 2173 und dann auf 2413 Bündel pro Strahl, wobei die erste Füllung mit 1227 Bündeln am 29 Juli, ein paar Tage früher als geplant. Trotz der bekannten Probleme auf dem Weg wurden gute Fortschritte erzielt, und bis zum 12. August wurden 2440 Trauben geerntet.

Die Erfahrung lehrt uns, dass das erste Betriebsjahr mit dem Strahl nach einer dreijährigen Stilllegung möglicherweise etwas holprig wird. Zu den vorhergesehenen Herausforderungen gehörten zusätzliche Hauptdipol-Trainingslöschungen, da die Maschine jetzt bei 6,8 TeV arbeitet, Elektronenwolken und nicht identifizierte fallende Objekte (UFOs).

Das Vakuumteam hatte mit völlig dekonditionierten Strahlschirmen und der Notwendigkeit gerechnet, mit einer Kampagne zur Elektronenwolkenreduzierung ganz von vorne zu beginnen. Ein umfassendes Scrubbing-Programm brachte die anfänglich sehr hohe Elektronenwolke erfolgreich auf ein akzeptables Niveau, wobei während der langen, hochintensiven Physikläufe eine weitere Konditionierung vorgesehen war. Das Hauptproblem hierbei ist die Wärmebelastung des Kryotechniksystems durch die E-Wolke – eine echte Betriebsgrenze für die maximale Intensität, die vom LHC bewältigt werden kann.

Es wurde auch erwartet, dass UFOs, ein echtes Schreckgespenst im Jahr 2015, nach LS2 wieder in großer Zahl auftauchen würden. Das war tatsächlich der Fall, aber glücklicherweise sind sie schnell abgeklungen und treten nun seltener auf. Obwohl sie immer noch die Ursache für gelegentliche vorzeitige Ausfälle sind, haben sie sich dank der sorgfältigen Verwaltung der Strahlverlustschwellen nicht als schwächend erwiesen.

Parallel dazu erfolgte die notwendige Umbettung und Fehlerbehebung umfangreicher, komplexer Beschleunigersysteme. Die aktuelle Verfügbarkeit war im Vergleich zu den beeindruckenden Werten, die am Ende von Lauf 2 erreicht wurden, moderat.

Die Leuchtkraftleistung war atemberaubend. Aufgrund der Verbesserungen, die im Rahmen des Injektor-Upgrade-Programms (LIU) vorgenommen wurden, liefern die Injektoren einen qualitativ hochwertigen Strahl mit geringer Querstrahlgröße. Gut etablierte Verfahren und eine hervorragende Parameterkontrolle im LHC haben es ermöglicht, das volle Potenzial der Strahlen auszuschöpfen. Im Moment arbeitet das Einsatzteam noch mit etwa nomineller Massenintensität, mit der Möglichkeit, noch deutlich höher zu gehen, muss noch trainiert werden. Die hervorragende Leistung ist ein Beweis für die kontinuierlichen Investitionen in Verständnis, Werkzeuge, Maschinenentwicklung, Beschleunigerphysik, Beschleunigersysteme wie Instrumentierung und Querrückkopplung sowie viel harte Arbeit.

Obwohl der LHC das Potenzial hat, deutlich höher zu gehen, ist die Spitzenleuchtkraft für Lauf 3 aufgrund der Wärmebelastung durch die Leuchtkrafttrümmer, die sich auf die supraleitenden inneren Triplettmagnete auswirken, auf etwa 2e34 cm-2 s-1 begrenzt. Die Leuchtkraft wird durch Querverschiebung oder durch Variation der Strahlgröße am Wechselwirkungspunkt begrenzt. Um die Leuchtkraft so lange wie möglich auf dem Maximalwert zu halten, wurden ausgefeilte neue Bedientools eingesetzt, um die Strahlgröße bei stabilen Strahlen sanft zu reduzieren (Beta*-Nivellierung).

Bei angemessener Verfügbarkeit und einigen langen Füllzeiten waren die Produktionsraten gut, und bis zum 23. August wurden 11 fb-1 an ATLAS geliefert. Wenn die Leuchtkraftkurve jedoch hoch zeigt, sollten Sie niemals extrapolieren – Sie werden die Beschleunigergötter verärgern. Wir hatten mit Übungslöschungen, UFOs, der Hitzebelastung durch Elektronenwolken und Systemfehlern gerechnet und wurden am 23. August tatsächlich von einem großen Problem erwischt.

Ein Problem mit der Steuerung des Kühlturms hat die Kryotechnik an Punkt 4 vorübergehend außer Gefecht gesetzt. Hier kühlt das Kryotechniksystem nicht nur die Magnete, sondern auch die supraleitenden HF-Hohlräume. Nach dem Vorfall erwärmte sich das flüssige Helium in den HF-Kryomodulen und verdampfte, wodurch der Druck im Inneren der Module anstieg. Diese Situation ist vorhersehbar und es sind Ablassventile vorhanden, falls der Druck über einen bestimmten Wert ansteigt, der sorgfältig eingestellt wird, um Schäden an den HF-Hohlräumen zu vermeiden. Die Ablassventile werden durch dünne „Berstscheiben“ aus Graphit gesichert, die so konstruiert sind, dass sie bei einem höheren Druck öffnen als dem, der das Öffnen der Ablassventile auslöst.

Am 23. August öffneten sich die Ablassventile wie vorgesehen. Leider öffneten sich in den folgenden Minuten drei von 16 geplatzten Scheiben unter ihrem vorgesehenen Wert. Eine Task Force war bereits vor Ort und hatte nach einem ähnlichen Vorfall Anfang des Jahres detaillierte Untersuchungen durchgeführt; Für den kommenden technischen Stopp zum Jahresende waren bereits Abhilfemaßnahmen geplant.

Eine durchgebrannte Berstscheibe öffnet die Module für Luft, was eine zehntägige Aufwärmphase erforderlich macht, um jegliche Feuchtigkeit aus den Hohlräumen zu spülen, gefolgt von einer Abkühlung und Wiederaufbereitung der Hohlräume. Das Ende der Erholungsphase überschneidet sich mit einem geplanten fünftägigen technischen Stopp und wir hoffen, in der zweiten Septemberhälfte mit Beam wieder einsatzbereit sein zu können.

Das Kryotechnik-Team hat einen Energiesparmodus für den LHC entwickelt und ist in der Lage, innerhalb eines Tages auf eine Konfiguration mit weniger aktiven Einheiten umzustellen und so rund 9 MW einzusparen. Dieser Modus wird während der Inbetriebnahmephase des Strahls und der Ionenläufe verwendet, wenn nicht die volle Kühlkapazität des Systems erforderlich ist. Dieser Modus wurde sofort für die Dauer der RF-Wiederherstellung eingesetzt.

Trotz des RF-Vorfalls ist die Leistung des LHC und tatsächlich des gesamten Beschleunigerkomplexes sehr ermutigend und verheißt Gutes für einen produktiven Lauf 3. Dass diese jahrzehntealten Maschinen (die PS beträgt dieses Jahr 63!) und die dazugehörigen Einrichtungen weiterbestehen Ihr unglaubliches physikalisches Spektrum an den Grenzen ihrer Möglichkeiten zu liefern, ist ein Beweis für den anhaltenden Einsatz, das Engagement und den Einfallsreichtum aller Beteiligten.