LHC Status: Run III



Magnetfeld
Das Magnetfeld der supraleitenden Magnete des LHC und der Detektoren besitzt einen sehr hohen Energieinhalt. Das stärkste Magnetfeld, in Bezug auf den Energieinhalt, wird durch den Magneten des CMS-Detektors erzeugt. Diese weltweit grösste, supraleitende Zylinderspule liefert ein Magnetfeld von 4 Tesla und erreicht einen Energieinhalt von 2.5 Gigajoule. Damit könnten rund 18 Tonnen Gold eingeschmolzen werden. Die grösste Herausforderung beim Betrieb von supraleitenden Magneten, liegt in der Vermeidung eines sogenannten Quenchs.



Quench
Überschreitet ein Supraleiter die kritische Temperatur wird er normalleitend. Dieser Vorgang wird als Quench bezeichnet. In den supraleitenden LHC-Komponenten, ist dieser Effekt natürlich sehr unerwünscht, da ein Quench dort zu einer lokalen Temperatursteigerung führen kann, die den Magneten beschädigen würde. Im schlimmsten Fall könnte die gesamte Energie die in einer Spule gespeichert ist in Wärme umgesetzt werden. Besonders problematisch ist, dass bereits Schwankungen im Millijoule-Bereich einen Quench auslösen können. Mögliche Ursachen sind z.B. in den supraleitenden Kabeln induzierte Kreisströme, fehlerhafte Veränderungen der Magnetfeldstärke, geringste Bewegungen der supraleitenden Strukturen (z.b. durch thermische Spannungen hervorgerufen), unabsichtlich deponierte Strahlenergie, Fehler im Kühlsystem, etc..
Diesen Gefahren werden beim LHC mit diversen Sicherheitssystemen entgegengewirkt. Diese bestehen zunächst darin, einen Quench zu detektieren. Geschieht dies, wird innerhalb der ersten 200 ms nach dem Auftreten des Quench, der Strom des betroffenen Magneten über eine Bypassdiode umgeleitet. Ausserdem wird der Magnet mit Hilfe von Quench Heatern (einer 0,1 µm dicken Kupfer-Stahl-Schicht auf der Spule) geheizt, so dass sich die thermische Energie im Magneten verteilt, anstatt sich lokal zu konzentrieren. Dadurch die Wärmekapazität der Spule ausgeschöpft, was dazu führt dass die Temperatur in der Spule langsamer ansteigt.



Zwischenfall 19. September 2008
Während eines Systemtests der Stromversorgung, kam es aufgrund einer fehlerhaften Verbindungsstelle zwischen einem Dipolmagneten und einem Quadrupolmagneten, im Sektor 3-4 zu einem Anstieg der Stromstärke auf 8700 Ampere. Dies führte innerhalb einer Sekunde zu einem Lichtbogen, der ein Loch in den Heliummantel und in die Vakuumisolierung schmolz. Durch die darauffolgende Erwärmung des flüssigen Heliums, kam es zu einer explosionsartigen Ausdehnung des Edelgases. Diese Druckwelle war so stark, dass sie von den Entlastungsventilen nicht mehr aufgefangen werden konnte. Die Druckwelle riss mehrere der tonnenschweren Magnete aus ihrer Verankerung. Insgesamt traten einige tausend Liter flüssiges Helium aus. Während des Vorfalls befanden sich keine Teilchenpakete im LHC Speicherring.
Durch die am CERN getroffenen Sicherheitsmassnahmen bestand zu keinem Zeitpunkt Gefahr für den Menschen. Insgesamt mussten 53 supraleitende Magnete ausgetauscht oder repariert werden.



Quench Protection System (QPS)
Nach dem Vorfall am 19. September 2008 wurde das gesamte Kontrollsystem, dass die supraleitenden Magnete überwacht mit zusätzlichen Sensoren ausgerüstet. Das neue Quench Protection System besteht aus 2132 Detektoren, die kleinste Änderungen der Widerstände (bis auf ein milliardstel Ohm genau) registrieren können. Dazu kommen noch 4000 Sensoren die anderweitige Aufgaben übernehmen. Dieses Frühwarnsystem soll in Zukunft Vorfälle solcher Art verhindern oder Schäden so klein wie möglich halten.


Diese fehlerhafte Verbindung führte zum Zwischenfall am 19.Sept. 2008 Quelle: CERN


Betroffener Bereich im Sektor 3-4 Quelle: CERN


Verbogene Verbindungsstelle zwischen zwei supraleitenden Magneten Quelle: CERN