Kälter, kälter, kalt bis 2023 –

CMS-Spurdetektor bereit für den Betrieb bei -20 Grad

Komplett versiegelt: der Kopfbereich des Spurdetektors. Foto: CERN

Die wichtigste Arbeitseinheit am CMS-Detektor während der langen Betriebspause LS1, die noch bis Ende des Jahres läuft, ist abgeschlossen. Der Spurdetektor von CMS ist jetzt, nach umfangreichen Tests bei neuer, viel niedrigerer Temperatur, bereit für den Einsatz bis zum Jahr 2023, wenn die dritte große Betriebspause ansteht. Dazu wurden über einen Zeitraum von mehreren Monaten Luftfeuchtebarrieren eingebaut, die Kühlanlage renoviert, ein Trockenluft-Generator installiert, neue Gasleitungen gelegt, 500 Sensoren über CMS verteilt und nebenbei alte Testmethoden für Gaslecks wiederendeckt.

Der CMS-Spurdetektor oder Tracker ist als innerste der zwiebelförmig um den Kollisionspunkt aufgebauten Detektorlagen der erste, der die Teilchen nach der Kollision sieht. Er misst ihre Spuren und kann so viel Information über Ladung und Impuls der Teilchen herausarbeiten. Weil die Siliziumsensoren des Trackers sich so dicht am Kollisionspunkt befinden, sind sie hoher Strahlenbelastung ausgesetzt. Wenn sie gekühlt werden, werden die Auswirkung der Strahlenschäden auf den Betrieb gemildert. Deshalb wurde der Tracker während der Betriebspause LS1 für den Betrieb bei fast fünfundzwanzig Grad weniger als im Jahr 2012 vorbereitet.

„Um die Siliziumsensoren des Trackers bei -10 Grad betreiben zu können, brauchen wir Kühlflüssigkeitstemperaturen von -20 Grad“, sagt Frank Hartmann vom Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Leiter des Tracker-Projekts. Wenn etwas so kalt ist, kondensiert sofort Feuchtigkeit aus der Luft darauf, Eis bildet sich und stört die umliegenden Materialien und Elektronik. Daher muss die Menge Wasser in der umliegenden Luft stark reduziert werden. Daran hat die Tracker-Kollaboration vor allem gearbeitet: die komplette Abdichtung ihres Systems gegen den Rest des riesigen CMS-Detektors und seiner Halle.

Ein verbessertes Kühlsystem macht das Kühlen noch effizienter, eine neue Luftfeuchtebarriere schließt jetzt den Trackerbereich von der Umgebung ab. Achtzehn neue Gasleitungen auf jeder Seite des zylinderförmigen Detektors sorgen dafür, dass ein an der Oberfläche installierter Trockenluft-Generator 400 Kubikmeter Stickstoff (bzw. während der Tests Trockenluft) pro Stunde in den Bereich pumpen kann, zehn neue Leitungen pro Seite saugen die Luft wieder ab und schicken sie durch einen neuen „Schnüffelcomputer“, der gleich untersucht, wie viel Luftfeuchtigkeit sich in der angesaugten Luft befindet. Die Kosten für den kompletten Umbau: um die zwei Millionen Schweizer Franken.

Arbeiten am Herzen von CMS während der langen Betriebspause. Foto: CERN / Michael Hoch

Nachdem alles eingebaut war, begannen die Tests. „Wir haben den Tracker langsam heruntergekühlt, drei Tage abgewartet und wieder aufgewärmt. Dann haben wir den ganzen Detektor untersucht und geguckt, ob es irgendwo tropft und was die Sensoren, die Hygrometer, sagen“, erzählt Frank Hartmann. Die gute Nachricht: es hat nirgendwo Kondenswasser geregnet; alle Leitungen waren dicht und die Sensoren gaben auch grünes Licht. Mehrere Abkühl- und Aufwärmzyklen folgten. „Erfahrungsgemäß ist der Betrieb in einem bestimmten Zustand kein Problem, aber an den Übergängen hakt es oft“, sagt Hartmann. Nach den Tests ist die Kollaboration sich einig, dass der Tracker wie geplant funktioniert. Jetzt muss nur noch die Entscheidung gefällt werden, ob der Tracker bei -15 oder -20 Grad laufen wird – beides ist möglich und machbar.

Um die 50 Leute waren am Einbau und Test der neuen Systeme beteiligt, von polnischen Klempnern zu Techniker und Studenten unter anderem auch von der RWTH Aachen, dem KIT und DESY. Zusätzlich zu den Arbeiten an den existierenden und neuen Leitungen wurden auch gleich die Kühlleitungen für den neuen Pixel-Detektor verlegt, der ab 2017 in Betrieb gehen soll, so dass das komplette Kühl- und Dichtesystem des Trackers während der nächsten Betriebspause unangetastet bleibt. „In der zweiten Betriebspause hat die Tracker-Kollaboration Urlaub“, scherzt Hartmann.

Übrigens kommen auch manchmal in High-Tech-Geräten bewährte Low-Tech-Methoden zum Einsatz. Um zu testen, ob die reparierten Luftfeuchtebarrieren um die Kühlungszuleitungen dicht sind und sich dadurch dort keine Kondensation bilden kann, haben die Forscher Trockengas zwischen die Leitungen gepustet und gehorcht, ob irgendwo Luft entweicht – so wie man einen Fahrradschlauch nach Luftblasen in einem Wassereimer untersucht.