100 meter onder de grond

301
Festo-ventieleiland
Illustratie: Festo

In CERN, het grootste onderzoekslaboratorium voor deeltjesfysica, ontcijferen duizenden wetenschappers eerder onopgeloste natuurkundige mysteries. Automatiseringstechnologie, intelligent en flexibel ingezet, ondersteunt het wetenschappelijk onderzoek op effectieve wijze. Zo regelt het Festo-ventieleiland VTSA de analyseprocessen van de interne experimentele en cavernelucht aan de “Compact Muon Solenoid”-detector (CMS) en helpt wetenschappers zo bij het ontrafelen van eerder onopgeloste natuurkundige mysteries.

Diep onder de grond, bij het meer van Genève, zeven gigantische detectoren bij de deeltjesversneller “Large Hadron Collider” (LHC) van CERN (Europese Organisatie voor Hoge Energie Deeltjesfysica) door de stroom subatomaire deeltjes en verzamelen ze gigantische hoeveelheden gegevens die met krachtige algoritmen worden geëvalueerd. Moderne technologieën maken op grote schaal zichtbaar wat de kosmos zoals we die kennen op kleine schaal bij elkaar houdt.

De deeltjesversneller LHC bevindt zich in het grensgebied tussen Frankrijk en Zwitserland en ligt ongeveer 100 meter onder de grond.
De deeltjesversneller LHC bevindt zich in het grensgebied tussen Frankrijk en Zwitserland en ligt ongeveer 100 meter onder de grond.

Het bestaan van de materie

Een mijlpaal in de deeltjesfysica was de ontdekking van het subatomaire deeltje, het zogenaamde Higgs-deeltje, bij CERN in 2012. Al in de jaren 1960 voorspelden de wetenschappers Robert Brout, François Englert en Peter Higgs het bestaan ervan. Volgens het destijds geldende standaardmodel van de fysica zou er strikt genomen geen massa mogen bestaan. Subatomaire deeltjes zouden eigenlijk met de snelheid van het licht moeten bewegen. Zoals gezegd zouden ze daardoor echter geen enkele massa hebben. Toch ontwikkelden de drie onderzoekers de theorie van het Higgs-veld. Het Higgs-veld vertraagt de kleinste deeltjes – vergelijkbaar met kralen die door honing vliegen – en geeft ze traagheid en dus massa, aldus de aanname. En inderdaad, 50 jaar later was de tijd gekomen: in experimenten in de LHC werden protonen versneld tot bijna de snelheid van het licht om ze met elkaar te laten botsen. Daarbij kwamen Higgs-deeltjes vrij uit het Higgs-veld en konden ze worden gemeten en dus ook daadwerkelijk worden aangetoond. Het bestaan van de materie was bewezen. Higgs en Englert ontvingen de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun theorie in 2013, Brout stierf in 2011.

De grootste in zijn soort

Onderzoek bij CERN betekent wetenschappelijk werk in adembenemende dimensies. Het in 1954 opgerichte onderzoekscentrum, dat wordt gefinancierd door 22 landen met bijna een miljard euro per jaar, biedt vandaag de dag werk aan meer dan 2500 wetenschappers. Meer dan 12.000 gastwetenschappers uit de hele wereld werken aan CERN-experimenten. Het grootste laboratorium voor deeltjesfysica ter wereld werkt met verschillende onderling verbonden versnellers die verschillende soorten deeltjes leveren voor uiteenlopende experimenten. Hiertoe behoren o.a. muonen om de structuur van het proton te bestuderen, zware ionen om nieuwe toestanden van de materie te creëren en radioactieve ionenbundels om exotische kernen te observeren.

De grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld is de LHC. Deze ligt ongeveer 100 meter onder de grond in een cirkelvormige tunnel met een omtrek van ongeveer 27 kilometer. De LHC maakt gebruik van sterke elektrische velden om energie over te brengen naar deeltjesstralen en leidt de stralen met behulp van magnetische velden door de installatie. Daarbij absorberen de deeltjes steeds meer acceleratie-energie totdat ze met bijna de lichtsnelheid om de LHC heen draaien – 11.245 keer per seconde. Als ze botsen, registreren vier enorme detectoren – CMS, ATLAS, ALICE en LHCb – wat er gebeurt.

Veiligheid komt altijd op de eerste plaats

De CMS-detector is een technologisch geavanceerd detectieapparaat met een lengte van 21 meter, een diameter van 15 meter en een gewicht van 12.500 ton. Samengesteld uit 100 miljoen afzonderlijke meetelementen, voert dit instrument tot 40 miljoen metingen per seconde uit en wordt beschouwd als een van de meest complexe en precieze wetenschappelijke instrumenten die ooit zijn gebouwd. Om meetfouten te voorkomen, moeten alle invloedsfactoren binnen gedefinieerde toleranties liggen.

Tot deze invloedsfactoren behoren onder meer de samenstelling van de omgevingslucht en de ademlucht in de ondergrondse experimenteerholtes. Om de constant optimale conditie te bepalen, wordt de lucht dus continu afgezogen en geanalyseerd op meer dan 100 meetpunten binnen en buiten de detector. Dit is des te belangrijker omdat “Compact”, zoals opgenomen in de naam van het experiment CMS, ook betekent dat het niet mogelijk is om overal en op elk moment snel in te grijpen. Dit komt omdat in het geval van een kritieke situatie, zoals een gaslek of brand in de detector, het tot 2 weken zou duren om de binnenste gebieden via noodopeningen te bereiken.

CERN
Links: Omkeerbaar ingebouwd, gebruikt het VTSA-ventieleiland vacuüm om de luchtstromen van ongeveer 100 meetstations naar de analyseapparaten te leiden.
Rechts: Gerd Fetchenhauer, CMS Gas Safety Officer, CERN

Intelligent geautomatiseerd

In het verleden had elk individueel luchtbemonsteringspunt zijn eigen analyseapparaat wat tot hoge kosten leidde. Ook de onderhoudskosten en het mogelijke foutpercentage waren te hoog voor CERN-maatstaven. Sinds begin 2016 zorgen ventieleilanden van het type VTSA ervoor dat de luchtstromen via de snelste route naar de analyseapparaten worden geleid. De nieuwe oplossing vermindert het aantal benodigde analyseapparaten met een factor 10. De luchtstromen worden nu centraal gecombineerd en toegewezen aan downstream-analyseapparaten. De hoofdventielen van de VTSA, die met perslucht worden bediend, hebben het voordeel dat ze ongevoelig zijn voor het magnetisme van de CMS-detector. Voor gebruik bij CERN werd het ventieleiland geconfigureerd om aan individuele eisen te voldoen. De belangrijkste technische aanpassing: omkeerbare werking.

Bij normale werking wordt de te analyseren lucht in een meetleiding via het ventieleiland naar het downstream-analysestation geleid. Tegelijkertijd worden alle andere meterslange meetleidingen permanent aangezogen in de vacuümmodus. Bij het omschakelen naar de volgende meetleiding wordt de huidige omgevingslucht dus direct op het betreffende ventiel aangebracht. Door deze flexibele toepassing bieden de hoogwaardige standaardcomponenten van de VTSA een intelligente technische oplossing die de CMS een duurzame efficiëntieverhoging op prestatie- en kostenniveau biedt.

Kleine stap, grote toekomst

Het gezamenlijke project van geautomatiseerde luchtanalyse is in augustus 2015 van start gegaan; de eenheden zijn eind oktober opgeleverd. Begin 2016 kon het nieuwe systeem in gebruik worden genomen. “De keuze voor Festo als leverancier van deze ventieleiland technologie was voor ons een logische keuze, omdat we al jaren naar volle tevredenheid werken met Festo-producten in CERN en CMS”, legt Gerd Fetchenhauer, CMS Gas Safety Officer bij CERN, uit.

Hoewel er tot nu toe vooral losse componenten zijn aangeschaft, is de inbouwklare systeemoplossing de eerste in zijn soort in de jarenlange samenwerking tussen Festo en CERN en kan deze de basis vormen voor soortgelijke toepassingen in andere detectoren van de Large Hadron Collider. Op deze wijze zullen ook in de toekomst vele kleine stappen leiden tot nieuwe, grote wetenschappelijke ontdekkingen.

Meer informatie bij Festo

Lees ook:

close

Digitale Nieuwsbrief

SCHRIJF JE IN VOOR ONZE WEKELIJKSE NIEUWSBRIEF EN BLIJF OP DE HOOGTE VAN ALLE INDUSTRIËLE EN TECHNISCHE ONTWIKKELINGEN!

Door jouw inschrijving voor de nieuwsbrief, ga je akkoord met onze privacy voorwaarden.