“ 這里是發現“上帝粒子”的地方”

 

圖2CERN 鳥瞰圖|圖：搜狐

LHC 的隧道位于圓圈下約100 米，圖中虛線為瑞士- 法國邊界，下方為瑞士，上方為法國

01 背景

對撞機是一種有兩束不同方向粒子束的粒子加速器。對撞機是粒子物理學十分重要的研究工具，它們可以將粒子加速到相對較高的動能，并讓它們撞擊其他粒子。分析碰撞產生的副產品可以幫助科學家們了解亞原子的結構和自然作用力的規律。這些副產品中很多只能通過高能碰撞產生，而且它們在很短的時間內就會衰變。因此，幾乎沒有其他方式可以進行研究。

02 LHC

由世界上最大的實驗室--歐洲核子研究中心(CERN)在瑞士日內瓦附近建成的大型強子對撞機(LHC)是迄今為止世界上最大的科學裝置，也是目前世界上最昂貴的科學裝置(預算€75億)。它于1994年正式立項，由100多個國家的超過10000位科學家經過14年建設，于2008年9月首次投入使用。

圖3LHC示意圖|圖Wikipedia

LHC是一個環形的加速器，它建造在地下100米深的隧道中，環形隧道約26.7km長。粒子在環形隧道中運動，隧道中有強大的磁場約束粒子，這些磁場由超流氦冷卻的超導磁體產生。粒子在隧道中運動時會被電場不斷加速，使粒子獲得極高的能量，在極短的時間內劇烈地碰撞，以便在空前微小的尺度上研究物質的結構和自然界的作用力。可以說是科學家研究微觀世界的眼睛。

LHC的巨大規模給運行工作帶來了挑戰。磁體與粒子束中儲存了大量的能量，運行時，磁體中儲存了10GJ能量(約2400公斤TNT當量)，兩束粒子束中所攜帶的總能量為724MJ(約173公斤TNT當量)。在運行中，10e-7的束流損失就足以讓超導磁體失超，此時每一束流有362 MJ能量(約87 公斤TNT當量)需要被吸收。在運行時如此巨大的能量儲存在及其微少的物質中，束流管中的氫在標況下只有大約一粒沙子的體積。

表1LHC主要技術參數

03 LHC真空及低溫系統

LHC的低溫系統是世界上最大的低溫系統，也是地球上最冷的地方之一。LHC建造在一個約26.7km的隧道中，隧道中是環形超導加速器，可以提高粒子的能量。LHC的低溫系統覆蓋了整個環形超導加速器，可以為超導加速器的高場磁體提供超流氦溫區的冷卻(1.9K以下)(外太空溫度約2.7K)。

約束粒子在27km的環形隧道內運動需要大約8.3T的磁場。產生這么高磁場需要11850A的電流通過導線，如果采用常規導線，由于電阻的存在，巨大的電流會使線圈迅速過熱，因此只能采用超導材料制作磁體。LHC采用Ni-Ti導線繞制超導磁體，如圖 4，只有在低溫下這種材料才具有超導電性，因此磁體需要被超流氦冷卻至約1.9K。

圖 4超導線與普通道線|圖：CERN

左邊的銅線高11厘米，寬8厘米，長28厘米。它可以在室溫下傳導12,500安培的電流。當冷卻到1.9 K時，右邊的鈮鈦線圈進入超導狀態，可以傳導相同的電流

LHC的低溫系統需要1.在兩周的時間內將低溫段從室溫降至工作溫度并積滿液體2.維持超導磁體工作于1.9K以下的超流氦中3.承受系統中的沖擊，并在兩小時內恢復運行狀態，同時盡量減少工質損失，維持系統穩定。除此之外，低溫系統氦需要能夠進行快速的降溫、回溫。為了確保可靠的運行，低溫系統具有一定的設計裕量。LHC工作于低溫環境中的磁體的冷質量約有36000t，磁體浸泡在約400m3的加壓態超流氦中。同時也使用超臨界氦來冷卻冷屏，阻隔絕大部分外界環境的熱負荷。LHC低溫系統包含8臺大型制冷機，每臺制冷機可提供約18kW@4.5K的冷量。由于外部條件的限制，這些制冷機分布在五個低溫站，如圖 5。在正常運行時，制冷機不要液氮進行液氮預冷，但在降溫模式下，需要液氮來提供冷量。

表2低溫系統相關參數

制冷機產生的低溫流體經過傳輸管線分配至隧道中。每個低溫站需要為1到2個相鄰的隧道扇區提供冷量，這要求低溫系統有能力在3.3km長的地下隧道傳送并回收低溫流體，傳輸分配系統如圖 7。

圖 5 8臺制冷機的分布

圖6含有兩臺制冷機的低溫站的草圖

圖 7低溫傳輸分配系統簡圖

LHC的低溫系統不僅可提供數千瓦的制冷量，同時話能實現不同溫度等級的制冷。

50K-75K，工作于此區間的冷屏是屏蔽外界漏熱的第一道屏障;

4.5K-20K，非等溫的beam screen工作于此溫度區間;

1.9K，冷卻磁體的超流氦溫度不高于此溫度;

4.5K-4.7K，超導磁體插入件、超導加速腔及HTS電流引線下端工作于此溫度區間;

20K-300K，HTS電流引線的電阻區工作在此溫區;

如圖 8是氦在LHC中的不同的熱力學狀態。對于不同溫度的冷量需求，如表 3所示。

圖 8氦在LHC中的不同的熱力學狀態

圖9某個扇區的1.9K熱負荷隨運行階段的變化

當制冷機開始運行后，超導磁體降溫過程可以分為3個階段。首先，約10000t的液氮在制冷機內與氦氣換熱，將氦氣預冷至80K，帶動超導磁體降溫。隨后在透平膨脹機的作用下，降溫至4.5K。當磁體浸泡在液氦中后，1.8K的制冷系統降溫至約1.9K，進入常規運行狀態。整個降溫過程中的冷質量約3.6*10e7kg。

圖 10LHC points

真空系統

自從2008年運行以來，LHC的真空系統就是世界上在運行的最大真空系統。其由三部分構成，分別是束線管真空、磁體真空及氦分配系統真空。為了避免與氣體分子的碰撞，LHC中加速的粒子需要在類似于在太空中一樣的真空中運動。在超導磁體及氦傳輸系統中，真空起到了絕熱的作用，保證低溫設備在1.9K的低溫下運行。LHC的真空管道總長約104km。絕熱真空管路超過50km，總容積約15000m3真空度維持在10e-6mbar。建造這個真空系統需要超過250000個焊接接頭和約18000個真空密封件。束流真空管道約54 km，壓力維持在10e-10~10e-11mbar之間，真空度幾乎和月球表面相當。為了使得束流管內達到如此高的真空，需要使用低溫泵抽出約9000m3氣體，殘留的氣體會隨著溫度的降低吸附在束流管壁上。經過大約兩周的抽氣，真空度會降至10*e-10mbar。為了使室溫端達到高真空，CERN開發了一種吸附涂層，這種涂層在加熱時會吸附殘留氣體分子。同時室溫端的部件還會定期經過300℃高溫的烘烤，以便內部達到高真空。