Die vielen vom CERN entwickelten Sensoren und Softwareprogramme des FRAS (Full Remote Alignment System) wurden in Vorbereitung auf den HL-LHC erfolgreich an einem Prototypmagneten getestet.
„Wenn man es mit einer 27 km langen Maschine zu tun hat, deren Komponenten auf wenige Zehntelmillimeter, manchmal sogar auf wenige Mikrometer genau ausgerichtet sein müssen, können die Vermesser des CERN die Erde nicht länger als kugelförmig, geschweige denn als flach betrachten Details seiner elliptischen (geoiden) Form spielen eine Rolle.“ So beschreibt Hélène Mainaud-Durand (BE-GM) die Herausforderungen bei der Ausrichtung der Magnete und anderer Komponenten des HL-LHC.
Diese großen technologischen Schwierigkeiten traten erstmals bei der Installation und dem Betrieb des LHC auf und sind angesichts der Einschränkungen des HL-LHC noch schwieriger. Das neue HL-LHC Remote Alignment System (FRAS), das diesen Sommer seinen ersten Test mit Bravour bestanden hat, wird ein Schlüsselinstrument sein, um die zukünftigen Herausforderungen der sicheren Ausrichtung zu meistern.
Das FRAS ist ein Ausrichtungssystem, das fast tausend Sensoren umfasst, die entlang der 200 Meter neuen Magneten verteilt sind, die auf beiden Seiten der ATLAS- und CMS-Detektoren installiert sind. Die Sensoren werden zusammen mit ihren Elektronik- und Softwareprogrammen und einem System motorisierter Heber, auf denen einige der Komponenten sitzen, verwendet, um die relativen Positionen der Komponenten aus der Ferne in Echtzeit anzupassen, ohne dass ein menschliches Eingreifen in der Kaverne erforderlich ist . Dies ist eine entscheidende Voraussetzung in der bestrahlten Umgebung des HL-LHC.
Obwohl ein ähnliches ferngesteuertes System bereits entlang von 50 Metern Magneten im Inneren des aktuellen Beschleunigers eingesetzt wurde, ist das FRAS, das eine größere Distanz zurücklegen wird, in mehrfacher Hinsicht innovativ. Die Ausrichtungstoleranz bleibt die gleiche wie bisher (+/- 0,15 mm), aber das System deckt eine viel größere Distanz ab (200 m statt 50 m).
Das neue System verfügt über zwei verschiedene Ausrichtungstechnologien. Bei der ersten handelt es sich um eine klassische kapazitive Technologie, die auf Abstandsmessungen zwischen mehreren Sensoren basiert, die entlang der Magnetreihe verteilt und durch einen 220 Meter langen Draht verbunden sind, der in die HL-LHC-Sensoren und -Komponenten integriert ist.
Obwohl dieses System bekannte Technologien nutzt, waren erhebliche Anpassungen erforderlich, um den spezifischen Anforderungen des HL-LHC gerecht zu werden: Um die Sensoren vor Strahlung zu schützen, ist ihre Elektronik von ihnen getrennt und über 120 Meter lange Kabel mit ihnen verbunden von Materialien, die für die lebensfeindliche Umgebung geeignet sind – eine große technische Herausforderung.
Darüber hinaus wird dieses erste System durch eine zweite, neuartige Technologie ergänzt, die sogenannte Frequency Sweeping Interferometry (FSI). Bei dieser Technik wird der Abstand zwischen dem Ende einer optischen Faser (dem Messkopf) und mehreren Zielen gemessen, die aus reflektierenden Glaskugeln bestehen, die speziell für den Einsatz in diesem System entwickelt wurden. Diese geniale Technologie, die keine Kabel erfordert (nur eine optische Faser wird benötigt), wird nicht nur zur Bestätigung der mit dem ersten System durchgeführten Messungen verwendet, sondern erstmals auch zur Bestimmung der Position der kalten Massen im Inneren Magnetkryostaten.
„Die FSI-Technologie wurde im eigenen Haus entwickelt und ist das Ergebnis von acht Jahren Forschung und Entwicklung, die von mehreren Gruppen der BE-Abteilung gemeinsam mit der Hilfe vieler Teams im gesamten Labor durchgeführt wurde. Dabei wurde eine Methode verwendet, die bereits erprobt wurde und.“ Im National Physical Laboratory im Vereinigten Königreich getestet, konnten wir eine Lösung entwerfen, die unseren eigenen Anforderungen entsprach und an der bereits mehrere andere Physiklabore Interesse bekundet hatten. Die Beherrschung dieser Technologie am CERN bedeutet auch, dass wir alle Karten in der Hand haben „Wir sind bereit für die bald beginnende Industrialisierungsphase der Sensoren“, erklärt Mainaud-Durand.
Nach seiner Feuertaufe an einem Magnetprototyp im Metrologielabor in diesem Sommer wird das FRAS im Jahr 2024 zunächst an den HL-LHC-Magneten am inneren Triplett-Teststrang (IT-String) getestet, bevor es schließlich im Laufe des Jahres in der Kaverne installiert wird Long Shutdown 3 (LS3), der für 2027 geplant ist.