Membrandosierpumpen von Lewa sorgen für eine konstante, ölfreie CO2-Kühlung von Silizium-Sensoren im Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN

Seine Inbetriebnahme markierte einen Wendepunkt in der Teilchenphysik und könnte möglicherweise helfen, fundamentale Fragen der modernen Physik, etwa nach dem Ursprung der Materie, zu beantworten. Das Large Hadron Collider beauty (LHCb)-Experiment, das A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS)-Experiment und das Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment sind drei der vier Experimente, die derzeit am LHC installiert sind. Um präzise Messungen zu erzielen, werden Silizium-Detektoren in unmittelbarer Nähe des Interaktionspunkts aller Experimente montiert. Kohlenstoffdioxid-Kühlanlagen kühlen die innersten Schichten der Silizium-Detektoren auf Temperaturen von bis zu -40 °C. Dazu werden im LHCb-Experiment seit 2007 zwei Membrandosierpumpen der Lewa GmbH eingesetzt. Diese gewährleisten den gleichmäßigen Volumenstrom, der für eine ständige und konstante Kühlung notwendig ist, und garantieren somit einen störungsfreien Betrieb. Zwei ähnliche Systeme, die redundant in Betrieb sind, regeln seit Anfang 2015 das Temperaturmanagement des IBL-Subdetektors des TALS-Experiments. Für das Upgrade des CMS-Pixel-Detektors, das 2016 installiert werden soll, wurde ein neues CO2-Kühlsystem mit einer Lewa-Remote-Head-Dosierpumpe gebaut und in Betrieb genommen. Anders als Standardpumpen können diese das stark komprimierte CO2 ohne Wärmeeintrag fördern.

Das erste Kühlsystem, das mit Lewa-Pumpen ausgestattet war, wurde vom National Institute for Subatomic Physics Nikhef in Amsterdam für das Large Hadron Collider beauty (LHCb)-Experiment entwickelt und produziert. Dieses Experiment geht der Frage nach, warum das Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Dazu wird unter anderem das B-Meson untersucht, das ein Elementarteilchen namens b-Quark oder auch beauty-Quark enthält, von dem sich auch der Name des LHCb ableitet. Um diese Teilchen zu erhalten, werden Protonen im LHC auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Die neu entstandenen Partikel werden über spezielle Instrumente erfasst und mithilfe von Computerprogrammen analysiert.

Ölfreie CO2-Kühlung der Detektoren für präzise Ergebnisse

Der LHCb-Detektor ist dabei anders als die anderen Erfassungssysteme am LHC aufgebaut, da die Detektion nur in eine Richtung erfolgt. Der erste Subdetektor, kurz als VeLo (für Vertex Locator) bezeichnet, liegt direkt am Kollisionspunkt. Weitere sind auf einer Länge von 20 Metern hintereinander angeordnet. Der VeLo dient unter anderem der präzisen Bestimmung des Zerfallsorts sowie der Spurenrekonstruktion. Damit eine höchstmögliche Präzision erreicht wird, muss sich die komplette Anlage in einem Vakuum befinden. Um schwere Strahlungsschäden auf den Siliziumsensoren zu vermeiden, kühlen außerdem zwei Kohlenstoffdioxid-Kreisläufe jede Hälfte des VeLo-Detektors auf rund -25 °C. An Siliziumdetektoren, die den starken Strahlungsniveaus des LHC ausgesetzt sind, können zwei Arten von Schäden auftreten: Verschiebungen in der Kristallstruktur aufgrund von nicht-ionisierendem Energieverlust und Ansammlungen von positiver Ladung auf den oberflächlichen Schichten aufgrund von ionisierendem Energieverlust. Die relevantesten Auswirkungen dieser kombinierten strahlungsbedingten Schäden sind ein deutlicher Anstieg der erforderlichen Spannung für die Verarmung der Sensoren, ein Anstieg des Kriechstroms (und somit des Signal-Rausch-Verhältnisses) und ein deutliches Absinken der Durchschlagspannung. Auch wenn ein großer Forschungs- und Entwicklungsaufwand betrieben wird, um neue Detektorgenerationen mit höherer Widerstandsfähigkeit gegenüber Strahlung zu entwickeln, ist allgemein bekannt, dass bei Temperaturen deutlich unterhalb 0 °C diese schädlichen Auswirkungen im Betrieb stark abgemildert werden.

Die Wahl der Forschungseinrichtung CERN fiel unter anderem deshalb auf die Membrandosierpumpen von Lewa, da im Detektorkühlkreislauf kein Öl vorhanden sein darf. Der Grund besteht darin, dass Öl unter dem Einfluss von Strahlung möglicherweise aushärtet und somit die Gefahr besteht, die dünnen Kühlleitungen zu blockieren. Zumindest für CO2 war ein Kompressionszyklus nicht möglich, da kein ölfreier Kompressor für CO2 auf dem Markt verfügbar ist. Daher ist es nur möglich, einen Kreislauf einzusetzen, der durch eine ölfreie Pumpe betrieben wird. Ölfreie Drehkolbenpumpen müssen durch die zirkulierende Kühlflüssigkeit geschmiert werden, wobei CO2 ein sehr schlechtes Schmiermittel ist. „Deshalb setzen wir im Detektorkreislauf drei Lewa-ecoflow-Membranpumpen ein. Diese haben den Vorteil, dass sie – im Gegensatz zu anderen Pumpentypen – keine Schmierung durch das Fluid erfordern“, erklärt Hans Postema, der als Senior-Maschinenbauingenieur am CERN tätig ist und CO2-basierte Kühlsysteme gemeinsam mit dem für die Kühlung zuständigen Team der Gruppe Detector Technologies entwickelt.

Daher war eine Membranpumpe angesichts ihrer Zuverlässigkeit und Dauerlauf-Festigkeit die beste Wahl. Außerdem sind Lewa-Pumpen dafür bekannt, für einen absolut gleichmäßigen Volumenstrom zu sorgen, der für eine ständige und konstante, zweiphasige Kühlung notwendig ist. Dabei wird der Übergang des CO2 vom flüssigen in den gasförmigen Zustand genutzt, um Wärme abzuführen. Das hat den Vorteil, dass deutlich weniger Kühlmittel und viel kleinere Rohre als bei einer einphasigen Kühlung benötigt werden. Auch sonst ist die Handhabung des Kühlmittels nicht einfach: „Die Fluidtemperaturen können bis zu -50 °C erreichen, was kritisch ist, da CO2 ab -57 °C erstarrt. Derzeit arbeiten wir für Testzwecke innerhalb einer Spanne von +20 bis -40 °C. Im Regelfall liegt die Temperatur bei rund -30 °C“, so Postema weiter. Allerdings war für den besonderen Fall des ATLAS-IBL-Detektors ein Betriebsbereich bis -40 °C erforderlich. In diesem Fall wurde ein zweistufiger Primärkühler mit sorgfältig hausintern entwickelten Steuerungen eingesetzt, um der Pumpe selbst bei diesen niedrigen Temperaturen die richtige Stufe der Unterkühlung bereitzustellen.

Remote-Head-Design hält kritische Bedingungen fern

Ein anderer Detektor am LHC, das Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiment, hat die Entdeckung des Higgs-Bosons, die Suche nach Hinweisen auf Supersymmetrien und das Studieren der Kollision schwerer Ionen zum Ziel. Der dafür eingesetzte Tracker enthält etwa 25.000 Silizium-Sensoren, die alle einzeln gekühlt werden müssen. In dieser Situation zeigt sich ein wichtiger Vorteil der CO2-Kühlung: Durch die starke Kompression bleibt das Volumen des verdampften CO2 sehr gering, und es können Rohre mit einem sehr geringen Durchmesser von nur zwei Millimetern verwendet werden. So wird trotz mehrerer hundert Kühlrohre sehr wenig Material benötigt.

Ab dem Jahr 2015 soll die Kollisionsenergie im LHC, der während des ersten Laufs mit 7 TeV betrieben wurde, zunächst auf 13, später sogar auf 14 TeV gesteigert werden. Angesichts der gestiegenen Anzahl an Kollisionen, die aufgezeichnet werden sollen, wird 2016 ein leistungsfähigerer Siliziumdetektor installiert. Hierfür wird ein neues CO2-Kühlsystem verwendet, das vor kurzem in Betrieb genommen wurde. Dieses System wird über eine Gesamt-Verlustleistung von 15 kW verfügen, die viel höher als bei LHCb und ATLAS ist (in der Größenordnung von 2 kW). Für die neue Anlage entschied man sich für den Einsatz von Lewa-LDE-1-Membrandosierpumpen im Remote-Head-Design. Der Pumpenkopf ist dabei in rostfreiem 1.4571-Edelstahl mit Kühlmantel ausgeführt. Die Übertragung der Verdrängerbewegung erfolgt durch eine in der Verbindungsleitung enthaltene Flüssigkeitssäule, das sogenannte hydraulische Gestänge. Dieses wird vom Verdränger in eine oszillierende Bewegung versetzt, die an den Ventilkopf weitergegeben wird. Das druckgesteuerte wechselweise Öffnen und Schließen der Rückschlagventile erzwingt dabei im Ventilkopf die pulsierende Strömung des Fluids in nur eine Richtung.

Auf diese Weise hält die Remote-Head-Konstruktion kritische Bedingungen zum Schutz der Anlage sowie der Umgebung vom Verdrängersystem fern. Zudem wird eine Erhitzung des CO2 oder eine Abkühlung des Öls verhindert, was zur Bildung von Gasblasen führen und eine Einstellung der Pumpenaktivität bedeuten würde ‒ ein Problem, das bei Standardpumpen häufig auftritt. „In der zweiphasigen Kühlung muss das CO2 nahe am Siedepunkt sein, da es dazu neigt, an wärmeren Teilen der Pumpe zu verdampfen. Daher ist vor allem der geringe Wärmeeintrag in das Fluid wichtig. Dies bedeutet insbesondere, dass Membrandosierpumpen im Remote-Head-Design beträchtliche Vorteile für die Leistung der Anlage bewirken können“, begründet der Geschäftsführer und Projektverantwortliche bei der Schweizer Lewa-Tochter, Marc Geiselhart, die Notwendigkeit dieser Konstruktion.

Erste Tests erfolgreich gefahren

Da ein Ausfall der Pumpe mit hohen Kosten und einem erheblichen Zeitverlust bei der Durchführung des Experiments verbunden wäre, wird die Zuverlässigkeit mittels weiterer Lewa-spezifischer Besonderheiten gewährleistet. Durch die zweilagige PTFE-Membran wird etwa verhindert, dass es im Fall der Beschädigung einer Membranlage zu einer Kontamination des CO2 kommt. Bei einer Leckage sorgt ein integrierter Druckschalter außerdem für eine sofortige Abschaltung der Pumpe. Ändern sich die Anforderungen, kann die Durchflussrate über die Remote-Hubverstellung mittels zweier Rückschlagventile reguliert werden.

Der Prototyp für die neue 15-kW-Anlage wurde bereits installiert und hat den ersten Test erfolgreich bestanden. Die Anlage ist zehnmal größer als das System, in dem Lewa-Standardpumpen eingesetzt werden. Auch die zwei CMS-Anlagen sind fertig montiert und befinden sich in der Inbetriebnahme. Sie sollen im eigentlichen Experiment redundant eingesetzt werden. Bei einem erneuten Scale-Up werden noch leistungsstärkere Pumpen erforderlich sein, zunächst aber stehen die Ergebnisse des aktuellen Experiments aus.