有著特殊要求的二氧化碳冷卻器

文/ Bettine Kuhnert，Marc Geiselhart

有著特殊要求的二氧化碳冷卻器

文/ Bettine Kuhnert，Marc Geiselhart

對所有流程泵提出了非常特殊要求的二氧化碳冷卻器——?dú)W洲的大型科研項目正在探究物理的基本問題，也包括了來自施瓦本地區(qū)的流程泵，高端的研究需要高端的材料。在歐洲核子研究組織的研究人員揭開粒子物理學(xué)最后的奧秘之后，全球性能最強(qiáng)大的粒子加速器就發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這一粒子加速器的一個小秘密就是它的二氧化碳冷卻系統(tǒng)。

周長26.7 km，有大約9 600塊電磁鐵的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）是歐洲核子研究組織迄今為止最大的和最復(fù)雜的粒子加速器。在那里，它將幫助現(xiàn)代物理學(xué)家回答一些最基本的問題，例如物質(zhì)起源的答案。“大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克實驗LHCB”，“超環(huán)面儀器實驗ATLAS”和“CMS緊湊渺子線圈實驗”是目前在LHC大型強(qiáng)子對撞機(jī)中進(jìn)行的四大實驗中的3個。為了獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果，硅探測器都直接安裝在所有實驗的交叉點處。二氧化碳冷卻系統(tǒng)對這些探測器的最內(nèi)層進(jìn)行冷卻，使最內(nèi)層的溫度達(dá)到-40℃。從2007年起，LHCb底夸克實驗開始使用的冷卻泵是Lewa公司研發(fā)生產(chǎn)的膜片定量泵，以保證恒定冷卻所需的均勻流量。從2015年年初開始，在TALS實驗中溫度管理系統(tǒng)通過兩套類似的系統(tǒng)調(diào)節(jié)，控制著IBL的溫度。2016年在CMS像素探測器升級時又安裝了一套新的配用了Lewa公司遠(yuǎn)程遙控定量泵的二氧化碳冷卻系統(tǒng)。與標(biāo)準(zhǔn)的流程泵不同，Lewa公司的流程泵能夠在沒有熱傳導(dǎo)的情況下完成高壓縮二氧化碳的輸送。

它的泵頭是用1.4571號不銹鋼制造的，設(shè)計有冷卻水套。它是通過隔膜片的來回鼓動改變工作腔容積來吸入和排出液體的。這種結(jié)構(gòu)就使它避開了擠出系統(tǒng)臨界工作條件的限制。也就避免了升高二氧化碳或者其他冷卻介質(zhì)的溫度，而溫度升高是導(dǎo)致輸送介質(zhì)起泡而必須對流程泵進(jìn)行調(diào)整的主要原因，這也是標(biāo)準(zhǔn)型流程泵經(jīng)常遇到的問題。最后，在兩相冷卻時二氧化碳必須接近沸點溫度，因為它接觸到泵體較熱的部分時往往會蒸發(fā)。這是非常重要的，因為歐洲核子研究組織的研究人員對這一點尤為重視：他們計劃從2015年起把碰撞能量從第一次試驗時的7 eV逐步的提高到13 eV，然后還有提高的14 eV。第一套配用Lewa泵的冷卻系統(tǒng)是為阿姆斯特丹的國家亞原子物理研究所LHCb底夸克試驗開發(fā)設(shè)計的。這一試驗回答的問題是：為什么宇宙主要是由物質(zhì)組成的而不是由反物質(zhì)組成的。為此對B介子進(jìn)行了檢測，探測到了名為b-夸克或者被稱之為美夸克的基本粒子。為了獲得這種基本粒子要將質(zhì)子加速到接近光速的速度進(jìn)行碰撞。碰撞后得到的粒子，用專門的儀器收集起來，利用計算機(jī)程序進(jìn)行分析。

在LHCb底夸克試驗中，它所使用的探測器與其他試驗所有的探測器不同在于：只在一個方向進(jìn)行探測。第一臺子探測器名為Velo（頂點定位器），它的位置就在碰撞點處。其他的子探測器在20 m的長度上依次排列起來。Velo探測器用于精確的測定衰變位置以及徑跡重建。為了獲得最高的檢測精度，整套設(shè)備都要處在真空狀況下工作。為了防止傳感器受到輻射的傷害，兩個二氧化碳冷卻循環(huán)系統(tǒng)從兩側(cè)對傳感器進(jìn)行冷卻，保持其溫度為-25℃。在LHC強(qiáng)子對撞試驗中有兩種強(qiáng)輻射能夠造成傳感器的傷害有非電離能量損失的晶間組織移動和有電離能量損失的表面正電荷積累兩種。它們帶來的后果是：需要的電壓明顯增高，泄露電流增大，擊穿電壓明顯降低。

因此，最終選擇了Lewa公司研發(fā)生產(chǎn)的隔膜泵，因為在探測器的冷卻循環(huán)中不得含有油類。因為在輻射的影響下，油類物質(zhì)可以在冷卻循環(huán)回路中硬化起來，堵塞了薄壁冷卻管道。無油的轉(zhuǎn)子泵也因其糟糕的二氧化碳潤滑狀況無法在這里使用?！耙虼宋覀冞x擇了Lewa公司無需流體進(jìn)行潤滑的Ecoflow型隔膜泵?！?歐洲核子研究組織的高級機(jī)械工程師Hans Postema先生解釋說道。

從連續(xù)穩(wěn)定性和工作可靠性的角度來看，隔膜泵是最佳選擇。另外，這家施瓦本地區(qū)流程泵生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品在保證均勻的流量方面也是非常著名的，也是保證穩(wěn)定的兩相冷卻所必須的。它也利用了二氧化碳從液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行散熱。這一利用也是很有好處的，因為這樣使用的冷卻劑量較少，在單相冷卻時無需專用的冷卻管道。但它所用冷卻劑的處理卻不簡單，流體的溫度可以低至-50℃，這是非常關(guān)鍵的臨界溫度，因為二氧化碳在-57℃時就開始固化成干冰了。目前，我們在20℃～-40℃之間的溫度范圍內(nèi)正在進(jìn)行一系列的測試?！?Postema先生說。其中，通常情況下溫度約為-30℃。但Atlas超環(huán)面儀器實驗中的IBL粒子探測器需要的工作溫度為-40℃。在這種情況下用自主開發(fā)的兩級主冷卻器控制著隔膜泵在正確的低溫工況下運(yùn)行。 ●

向歐洲核子研究組織提供了3臺遠(yuǎn)程遙控定量泵。其中的一臺安裝在15 kWh的樣機(jī)中，并成功地通過了測試

本 文 作 者Bettine Kuhnert系PROCESS德文版特約撰稿人，Marc Geiselhart來自Lewa公司瑞士子公司。