100 méterrel a föld alatt

Automatizált levegőelemzés a CERN-ben Festo VTSA szelepszigettel

A CERN-ben, a részecskefizika legnagyobb kutatólaboratóriumában tudósok ezrei dolgoznak a fizika eddig megoldatlan rejtélyein. A tudományos kutatást intelligensen és rugalmasan alkalmazott automatizálástechnika támogatja. A „Compact Muon Solenoid” (CMS) detektorában a Festo VTSA szelepsziget vezérli a belső kísérleti- és üreglevegő elemzési folyamatait.

Mélyen a föld alatt, a Genfi-tó közelében, a CERN (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet) nagy hadronütköztetőjének (LHC) óriási detektorai kutatnak a szubatomi részecskék után óriási mennyiségű adatot gyűjtve, amelyeket nagy teljesítményű algoritmusok elemeznek. A modern technológiák segítségével a kozmoszt összetartó apró részecskék nagyobb léptékben is láthatóvá válnak.

Az anyag létezése

A részecskefizika mérföldköve volt, amikor 2012-ben a CERN-ben igazolták úgynevezett Higgs-részecske létezését. Ennek létezését már az 1960-as években megjósolta Robert Brout, François Englert és Peter Higgs. A fizika akkoriban érvényes standard modellje szerint szigorúan véve nem létezhetett volna tömeg. A szubatomi részecskéknek tulajdonképpen fénysebességgel kellene mozogniuk. Emiatt azonban nem lehetne tömegük. A három kutató a probléma megoldásaként dolgozta ki a Higgs-mező elméletét. A Higgs-mező lelassítja a parányi részecskéket, mintha golyók repülnének a mézben – és ezáltal tehetetlenséget, így tömeget ad nekik. És valóban, 50 évvel később eljött az idő: Az LHC-ben végzett kísérletek során majdnem fénysebességre gyorsították fel a protonokat, hogy aztán egymásnak ütköztessék őket. Ennek során Higgs-részecskék szabadultak fel a Higgs-mezőből, amelyek mérhetők, azaz ténylegesen kimutathatók voltak. Ezzel bizonyosságot nyert az anyag létezése. Higgs és Englert 2013-ban fizikai Nobel-díjat kapott az elméletükért, Brout 2011-ben meghalt.

A legnagyobb a maga nemében

A CERN-ben lélegzetelállító léptékű kutatások zajlanak. Az 1954-ben alapított kutatóközpont jelenleg több mint 2500 tudóst foglalkoztat, évi egymilliárdos finanszírozási keretét 22 állam adja össze. A CERN-kísérletein több mint 12 000 vendégkutató dolgozik a világ minden tájáról. A világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriuma több, egymással összekapcsolt gyorsítót üzemeltet, amelyek sokféle típusú részecskét állítanak elő különböző kísérletekhez. Ezek közé tartoznak a proton szerkezetének tanulmányozására szolgáló müonok, az anyag új állapotainak létrehozására szolgáló nehézionok és az egzotikus atommagok megfigyelésére szolgáló radioaktív ionnyalábok.

A világ legnagyobb és legerősebb részecskegyorsítója az LHC. Körülbelül 100 méter mélyen található, egy kör alakú alagútban, amelynek kerülete körülbelül 27 kilométer. Az LHC erős elektromos mezőket használ a részecskesugarak energiájának átvitelére, és mágneses mezők segítségével irányítja a sugarakat a létesítményben. A folyamat során a részecskék egyre több és több gyorsulási energiát vesznek fel, míg végül majdnem fénysebességgel – másodpercenként 11 245-ször – keringenek az LHC-ban. Amikor összeütköznek, négy óriási detektor – a CMS, az ATLAS, az ALICE és az LHCb – rögzíti, hogy mi is történik.

Az LHC részecskegyorsító Franciaország és Svájc határvidékén, mintegy 100 méter mélyen található.

Az LHC részecskegyorsító Franciaország és Svájc határvidékén, mintegy 100 méter mélyen található.

A biztonság az első

A CMS detektor egy csúcstechnológiás, 21 méter hosszú, 15 méter átmérőjű és 12 500 tonna súlyú érzékelőberendezés. A 100 millió egyedi mérőelemből álló, másodpercenként akár 40 millió mérést is végrehajtó műszer a valaha épített egyik legösszetettebb és legpontosabb tudományos műszer. A mérési hibák elkerülése érdekében minden befolyásoló tényezőnek meghatározott tűréshatárokon belül kell lennie.

Ilyen befolyásoló tényező a földalatti kísérleti termek környezeti levegőjének összetétele is. Az állandóan tökéletes állapot meghatározásához ezért több mint 100 mérési ponton folyamatosan levegőmintákat vesznek a detektoron belül és kívül, majd elemzik azokat. Ez azért is fontos, mert a „kompakt” kifejezés – amely a CMS nevében is visszaköszön –, azt is jelenti, hogy nem lehet mindenhol és minden ponton gyorsan beavatkozni. Ennek oka, hogy kritikus helyzetben, például a detektorban bekövetkező gázszivárgás vagy tűz esetén, akár 2 hétig is eltarthat, amíg vésznyílásokon keresztül el lehetne jutni a belső területekhez.

Intelligens módon automatizált

Korábban minden egyes levegő-mintavételi ponthoz külön elemző készüléket használtak, ami magas költségeket eredményezett. Ezenkívül túl nagy volt karbantartási ráfordítás és a lehetséges hibaarány a CERN szabványai szerint. 2016 eleje óta a VTSA típusú szelepszigetek biztosítják, hogy a levegőáramok a lehető leggyorsabban jussanak el az elemzőberendezésekhez. Az új megoldás egy nagyságrenddel csökkentette a szükséges elemzőberendezések számát. A légáramok most egy-egy gyűjtővezetéken keresztül jutnak el az elemzőberendezésig. A VTSA sűrített levegővel vezérelt főszelepeinek előnye, hogy nem befolyásolja őket a CMS detektor mágnesessége. A szelepszigetet a CERN egyedi követelményeire konfigurálták. A legfontosabb technikai módosítás a megfordítható működés volt.

Normál esetben a mérővezetékben áramló levegő a szelepszigeten keresztül jut el az elemzőállomáshoz. Ugyanakkor vákuumüzemben az összes többi mérővezeték állandóan szívóhatásnak van kitéve. A következő mérővezetékre való átkapcsoláskor az aktuális környezeti levegő így közvetlenül a mindenkori szelepnél jelenik meg. E rugalmas alkalmazás révén a VTSA kiváló minőségű standard komponensei olyan intelligens műszaki megoldást kínálnak, amely teljesítmény- és költségszinten is fenntartható hatékonyságnövekedést biztosít a CMS-ben.

Kis lépés, nagy jövő

Az automatizált levegőelemzés kialakítását célzó közös projekt 2015 augusztusában indult, a készülékeket október végén már szállítottuk is. Az új rendszert 2016 elején sikerült üzembe helyezni. „A Festo kézenfekvő választás volt a technológia szállítására, mivel a CERN-ben és a CMS-ben is évek óta teljes elégedettséggel használjuk a vállalat termékeit” – magyarázza Gerd Fetchenhauer, a CERN CMS gázbiztonsági felelőse.

Míg korábban főként egyedi alkatrészeket vásároltak a Festo és a CERN hosszú ideje tartó együttműködése során, ez a telepítésre kész rendszermegoldás az első megoldás, amely a Nagy Hadronütköztető más detektoraiban is hasonló alkalmazások alapját képezheti. Így a jövőben is sok kis lépés vezet majd az új, nagyszerű tudományos felfedezésekhez.


www.cern.ch

  1. Ez a cikk a Festo Trends in Automation című ügyfélmagazinjának 2016/2. számában jelent meg

    Képek: CERN
Áttekintés