Ultrareine Gasgemische für Teilchenbeschleuniger-Experimente

Die spektakulärsten Entdeckungen über die Zusammensetzung des Universums – wie etwa den Nachweis von Antimaterie und des Higgs-Bosons – lieferten die CERN Teilchendetektoren. Für die optimale Zirkulation der notwendigen Gasgemische innerhalb dieser Teilchendetektoren müssen die eingesetzten Pumpen besonders zuverlässig sein und die Gase frei von Verunreinigungen halten. Für diese hohen Anforderungen vertraut CERN auf KNF, den Weltmarktführer für Membranpumpentechnologie.

Woraus besteht das Universum?
Die renommierte Großforschungseinrichtung CERN erforscht die grundlegende Struktur der Teilchen, aus denen sich alles in und um uns herum zusammensetzt. Tief unter der Erde gelegen, teils in der Schweiz und teils in Frankreich, kommen mehrere ringförmige und lineare Teilchenbeschleuniger für Experimente zum Einsatz, die bereits zahlreiche bahnbrechende Erkenntnisse hervorgebracht haben. Darunter die Entdeckung des Higgs-Bosons oder die Isolierung von Antimaterie.

Subatomare Einblicke dank Teilchenbeschleuniger
CERN verfügt über einige der weltweit größten und komplexesten wissenschaftlichen Forschungsinstrumente. Der grösste CERN Teilchenbeschleuniger, der sogenannte Large Hadron Collider (LHC), befindet sich 100 Meter unter der Erde, um Umwelteinflüsse wie Strahlung auszuschließen. In ihm werden Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um dann miteinander zu kollidieren. Die dabei auftretenden physikalischen Vorgänge werden von speziellen Detektoren aufgezeichnet.

Gase zur Kollisionserkennung
Wenn geladene, hochenergetische Teilchen an Edelgasmolekülen vorbeifliegen, ziehen sie eine Ionisierungsspur hinter sich her. Diese winzigen Signale können mit Hilfe elektrischer Felder verstärkt und anschließend elektronisch gemessen werden, sodass eine hochpräzise Verfolgung der Teilchenspuren möglich ist. Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten liefern den CERN Wissenschaftlern tiefere Einblicke in die Struktur von Materie.

Teilchenbeschleuniger erfordern komplexe Gasgemische
CERN verwendet rund 30 Gassysteme, um die Detektoren des Large Hadron Collider mit dem richtigen Gasgemisch zu versorgen. Das Detektorgasgemisch ist ein besonders empfindliches Medium. In ihm wird durch eine Ladungsvervielfachung ein Signal erzeugt, das anschließend aufgezeichnet und ausgewertet werden kann. Daher ist eine einwandfreie und stabile Zusammensetzung dieser Gasgemische der Schlüssel für den effizienten und zuverlässigen Ablauf dieser Teilchenbeschleuniger-Experimente.

CERN setzt viele Gase ein
Die Gasmischungen für diese Teilchendetektoren setzen sich aus Edelgasen wie Argon, Xenon, Helium und weiteren Gasen wie Tetrafluormethan, Tetrafluorethan, Schwefelhexafluorid, Isobutan und Kohlendioxid zusammen. Zur Zirkulation der Gasgemische und zur Sicherstellung ihrer Reinheit werden Membranpumpen von KNF eingesetzt.

Eine Kombination aus Expertise und langjähriger Erfahrung
Nach jahrzehntelanger Zusammenarbeit mit KNF vertrauen die verschiedenen CERN Teams auf die Expertise und Erfahrung des Herstellers. Als für die Reinigung und Zirkulation der speziellen Gasgemische neue Membranpumpen für den Compact Muon Solenoid (CMS), einen der vier Teilchendetektoren, benötigt wurden, fiel die Wahl auf drei KNF Pumpen, von denen eine als Backup installiert wurde.

Maßgeschneiderte Lösungen, entstanden in enger Zusammenarbeit
Jahrzehntelange erfolgreiche Zusammenarbeit mit CERN ermöglichte es KNF, maßgeschneiderte Lösungen für diese hochspezialisierten Anwendungen zu entwickeln und zu liefern. Zuletzt war das CERN Gas Team proaktiv an der Anpassung der KNF Prozesspumpen N 0150 und N 1200 beteiligt.

Zusammenarbeit sorgt für eine längere Betriebsdauer
Basierend auf den Beobachtungen des CERN Gas Teams konnte KNF die Lebensdauer der eingesetzten Membranen durch Modifikationen an der Pumpenkonstruktion nochmals verlängern. Das Vertrauen von CERN in KNF wird aktuell durch einen weiteren Auftrag über 18 KNF Pumpen mit einer Förderleistung von ca. 170 l/min unterstrichen. Die Pumpen wurden 2022 in den Teilchenbeschleunigern installiert.
 
https://www.knf.com