LHC Status:
Winter Shutdown

Dipolmagnet

Funktionsprinzip

Damit sich die Teilchen auf einer Kreisbahn im Beschleuniger bewegen, werden Dipolmagnete eingesetzt. Ein solcher Magnet erzeugt ein homogenes Magnetfeld zwischen den Polen. Ein homogenes Feld zeichnet sich dadurch aus, dass seine Feldlinien parallel und gleichmässig zueinander verlaufen. Wenn nun ein geladenes Teilchen durch ein solches Feld bewegt wird, entsteht eine Kraft, die senkrecht zu diesen Feldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung wirkt. Diese Kraft wird als Lorentzkraft bezeichnet. Die Ablenkrichtung der Lorenzkraft, hängt von der Richtung der Magnetfeldlinie, der Bewegungsrichtung der Teilchen (in Relation zur Ausrichtung der Feldlinien) und ihrer Ladung (negativ oder positiv) ab.
LHC-Dipolmagnet

Um die Protonen auf dem vorgegebenen Radius zu halten, werden 1232 supraleitende Dipolmagnete mit kupferverkleideten Niob-Titan Leitern verwendet. Die Betriebstemperatur der jeweils 15 Meter langen Magnete, wird durch das Kühlsystem auf 1.9 K (ca. -271 °C) gehalten. Die max. magnetische Flussdichte beträgt 8.36 Tesla. Tesla ist ein Mass für die Magnetfeldstärke. Zum Vergleich hat ein handelsüblicher Hufeisenmagnet eine Feldstärke von gerade mal 0.1 Tesla. Die Magnetfelder der Dipole müssen so stark sein, damit der Strahl noch auf seiner Bahn gehalten werden kann. Dies kann jedoch nur mit supraleitenden Spulen erreicht werden, in denen der Strom ohne Widerstand fliesst. Je höher der Widerstand in einer Spule ist, desto kleiner ist ihr Wirkungsgrad, da der grösste Teil der eingesetzten Energie, in Wärme umwandelt würde. Ein Beschleuniger mit nicht-supraleitenden Magneten und derselben Leistung des LHC's, hätte einen Umfang von 120 km und bräuchte 30 mal mehr Energie.

Dipolmagnet Quelle: CERN


Schematische Darstellung eines LHC-Dipolmagneten Quelle: CERN



Strahlrohr


Um die beiden Strahlrohre (Innendurchmesser 56 mm) herum, befindet sich eine Spulenhalterung aus nichtmagnetischem Edelstahl. Sie sorg dafür, dass trotz der starken magnetischen Felder, welche Zugkräfte im Tonnen-Bereich aufbringen, die Struktur stabil bleibt. Es folgt ein Rückführungs- und Abschirmungsjoch aus normalem Eisen, sowie die thermische Abschirmung und Isolation. Die gesamte, zu kühlende Masse liegt bei ca. 24 Tonnen pro Magnet.
Das Strahlrohr selbst, ist mit einem 1.9 K kaltem Mantel als elektrischer Isolator umgeben. Sein Abstand zum Strahlrohr betrÄgt 0.5 mm. Das Strahlrohr wurde mit Löchern versehen, damit sich Teilchen, welche hin und wieder von ihrer Sollbahn abweichen, das Strahlrohr verlassen können. Die Teilchen "frieren" dann im kalten Mantel fest. Dadurch wird verhindert, dass die Teilchen grössere Mengen Elektronen herausschlagen und diese als Elektronenwolken den Strahl beeinflussen.


Strahlrohr Quelle: CERN


2 in 1 Design

Die LHC-Magnete weisen die Besonderheit auf, dass die beiden gegenläufigen Strahlrohre, in denen die Protonen ihre Runden drehen, in einem einzigen Modul untergebracht sind. Da die Ausrichtung der Lorenzkraft von der Bewegungsrichtung der Protonen und von der Richtung der Feldlinien abhängt und identische Teilchenladungen in gegenläufigen Richtungen unterwegs sind, müssen die Magnetfeldlinien in gegensätzliche Richtungen zeigen. Im ersten Strahlrohr verlaufen sie deshalb von oben nach unten und im zweiten von unten nach oben.



Magnetfeldlinien des Dipols um die beiden Strahlrohre Quelle: CERN



Feldlinienverteilung im Querschnitt Quelle: CERN