Turbopumpen

Cern – Vakuumlösung für den Large Hadron Collider

| Redakteur: Bernhard Richter

Um ein Ultrahochvakuum im Teilchenbeschleuniger LHC zu erzeugen, verwendet Cern Turbopumpen und Turbopumpstände von Pfeiffer Vacuum.
Um ein Ultrahochvakuum im Teilchenbeschleuniger LHC zu erzeugen, verwendet Cern Turbopumpen und Turbopumpstände von Pfeiffer Vacuum. (Bild: Pfeiffer Vacuum)

Das Cern erforscht seit Jahren die Materie, aus dem das Universum besteht. Dazu erzeugen die Forscher im Teilchenbeschleuniger LHC ein Ultrahochvakuum – mit Turbopower...

Pfeiffer Vacuum, Anbieter von Vakuumlösungen, hat einen bedeutenden Auftrag der Europäischen Organisation für Kernforschung Cern erhalten: Um ein Ultrahochvakuum im Teilchenbeschleuniger LHC zu erzeugen, verwendet Cern Turbopumpen und Turbopumpstände des Vakuumspezialisten.

Das Cern liegt bei Meyrin im Schweizer Kanton Genf, an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Es ist das weltweit größte Forschungszentrum für Teilchenphysik. Der Organisation gehören derzeit 22 Mitgliedsstaaten an. Die Hauptaufgabe der Einrichtung besteht in der Erforschung der Materie, aus der das Universum besteht, unter Einsatz großer Teilchenbeschleuniger.

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Der derzeit bedeutendste Teilchenbeschleuniger ist der Large Hadron Collider (LHC). Er wurde 2008 in Betrieb genommen und hat einen Umfang von rund 27 km. Im LHC werden Protonen und Ionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinandergestoßen.

Die maßgebliche Komponente des LHC ist ein Synchrotron in einem 26,7 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel, in dem Protonen oder Blei-Kerne gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden.
Die maßgebliche Komponente des LHC ist ein Synchrotron in einem 26,7 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel, in dem Protonen oder Blei-Kerne gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. (Bild: CERN)

Der Teilchenbeschleuniger besteht aus Strahlrohren, in denen ein Ultrahochvakuum herrschen muss. Diese Strahlrohre werden mit Turbopumpständen vorevakuiert. Anschließend sind Turbopumpen mit hoher Kompression für leichte Gase dafür verantwortlich, das Isolationsvakuum zu erzeugen. Das Isolationsvakuum ist für den Betrieb der supraleitenden Magnete bei einer Temperatur von -271 °C wichtig. Am Cern kommen Hi-Pace-Turbopumpen und Hi-Cube-Turbopumpstände zum Einsatz, die diese hohen Anforderungen erfüllen können.

Im Jahr 1958 wurde von der Arthur Pfeiffer GmbH die Turbopumpe entwickelt. Damals bestand das Ziel darin, ein kohlenwasserstofffreies Vakuum zu erzeugen. Das Cern war eines der ersten Kunden für dieses Produkt und ist bis heute ein wichtiger Anwender der Produkte von Pfeiffer Vacuum: So erfordert die Erzeugung des Vakuums, die Vakuummessung und die Analyse des Partialdrucks am Cern eine umfassende Vakuumausrüstung, die größtenteils von dem Unternehmen mit Hauptsitz in Asslar geliefert wird.

Auf der Suche nach der dunklen Materie

Das Cern wurde 1954 gegründet. Neben den rund 3000 Mitarbeitern sind dort heute über 10.000 Wissenschaftler aus aller Welt tätig. Um neue Erkenntnisse in der Hochenergie-Physik zu gewinnen und so vielleicht den Beweis für dunkle Materie liefern zu können, bedarf es eines neuen Teilchenbeschleunigers. Um das notwendige Energieniveau für die Experimente zu erreichen, müssen energiereichere Teilchen verwendet werden. Die Lösung: ein größerer Beschleuniger. Bis zu 100 km Umfang soll der Future Circular Collider (FCC) haben. Die dafür benötigten Bauteile werden weltweit gefertigt und müssen innerhalb von ein bis zwei Jahren an die Baustelle des FCC geliefert werden.

Daher hat das Fraunhofer IML den Bauteiltransport analysiert: den oberirdischen Transport zur Baustelle mittels verschiedener Verkehrsmittel als auch den unterirdischen Transport an der Baustelle. Zu den Bauteilen zählen Dipol-Magnete, die später Teilchen innerhalb des Tunnels auf Kurs halten werden. Bei 4000 bis 6000 Magneten von je 60 t bis 80 t Gewicht eine Mammutaufgabe. Vor allem, da die Magnete extrem sensibel sind und im montierten Zustand nur sehr geringe Erschütterungen und Beschleunigungen von unter 0,1 g vertragen. Das Institut hat dafür ein Fahrzeugkonzept entwickelt, das den Anforderungen gewachsen ist.

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