图片:©CERN; 壮观:21 米长,直径 15 米,重 12,500 吨 — CMS 探测器每秒最多可进行 4000 万次测量。

地下 100 米

CERN 利用 Festo 阀岛 VTSA 进行自动化空气分析

在全球最大的粒子物理实验室 CERN,成千上万的科学家正在努力探寻尚未解决的物理奥秘。自动化技术的智能灵活应用为他们的宝贵科学研究提供了支持。其中,Festo 阀岛 VTSA 控制着紧凑渺子线圈探测器 (CMS) 的实验洞穴中空气的分析过程。

在日内瓦湖附近的地下深处,欧洲核研究组织 CERN 的大型强子对撞机 (LHC) 粒子加速器中,巨型探测器筛选出亚原子粒子流,收集大量数据,并使用强大的算法对其进行分析 。现代技术使维系宇宙的微小粒子在更大范围内可见。

物质的存在

2012 年,随着希格斯玻色子的发现,粒子物理学达到了一个里程碑。科学家Robert Brout、François Englert和Peter Higgs早在20世纪60年代就预测了它的存在。根据当时的粒子物理学标准模型,严格来说应该没有质量。亚原子粒子应该以光速运动。然而,如前所述,它们应该无质量的。尽管如此,这三位研究人员还是制定了希格斯场论。根据这一理论,希格斯场减慢了最小粒子的速度(就像穿过蜂蜜的珠子一样),从而使它们具有惯性并因此具有质量。50 年后,终于有了重大突破。在大型强子对撞机(LHC)中,质子以接近光速的速度加速,使它们发生碰撞。希格斯玻色子脱离了希格斯场,因此有可能对其进行测量并证明它们确实存在。因此,物质的存在得到了证明。Higgs和 Englert 因其理论荣获 2013 年诺贝尔物理学奖。Brout于 2011 年逝世。

同类规模最大

在 CERN 进行的研究涉及到惊人规模的科学工作。该研究组织成立于 1954 年,每年从 22 个成员国获得近 10 亿欧元的资金,目前拥有 2500 多名科学家。来自世界各地的 12,000 多位客座科学家致力于 CERN 实验。世界上最大的粒子物理实验室运行着由多个加速器组成的网络,这些加速器可为各种实验准备各种粒子。其中包括用于研究质子结构的渺子、用于创建物质状态的重离子以及用于观测外来核的放射性离子束。

LHC 是世界上最大、功能最强的粒子加速器。它位于地下约 100 米的圆形隧道中,周长 27 公里。LHC利用强电场将能量传输给粒子束,并利用磁场引导粒子束穿过系统。粒子获得越来越多的加速能量,直到以接近光速的速度(每秒 11,245 次)绕着 LHC 旋转。当它们碰撞时,四台巨型探测器 CMS、ATLAS、ALICE 和 LHCb 记录发生的情况。

LHC 粒子加速器位于法国和瑞士的边界附近,位于约 100 米深的地下。

LHC 粒子加速器位于法国和瑞士的边界附近,位于约 100 米深的地下。

安全永远是首要任务

CMS 探测器是技术先进的探测设备,其长度为 21 米,直径为 15 米,重达 12,500 吨。它由 1 亿个独立的测量元件组成,每秒可进行 高达4000 万次测量,是有史以来最复杂、最精密的科学仪器之一。为防止测量误差,所有影响因素必须保持在规定的公差内。

影响因素还包括地下洞穴中周围环境和排出空气的成分。为了确保始终正确的操作,在探测器内外部的 100 多个测量点连续抽取空气进行分析。鉴于名称中的“紧凑”一词也意味着不可能随时随地进行快速干预,这一点尤其重要。在紧急情况下,例如探测器中气体泄漏或起火,可能需要长达两周的时间才能到达紧急通口以进入内部区域。

智能自动化

过去,每个单独的空气提取点都有单独的分析设备,导致成本高昂。此外,对于 CERN 标准,维护成本和潜在故障率过高。自 2016 年初以来,VTSA 型阀岛一直确保以尽可能最快的路线将空气流引至分析设备。新的解决方案将所需的分析设备数量减少了10倍。现在,空气流被集中起来并分配给下游的分析设备。VTSA 的主阀由压缩空气引导,其优点是对 CMS 探测器磁力不敏感。阀岛的配置符合 CERN 的特定要求。最重要的技术调整是可逆操作。

在正常运行中,来自测量线的空气通过阀岛进入下游分析站。同时,所有其他测量线均在低压操作中进行永久。因此,当切换到下一个测量线时,当前的环境空气在阀处可用。这种灵活的应用表明,VTSA 的高质量标准组件可以提供一种智能的技术解决方案,从性能和成本两方面为 CMS 带来长期的效率提升。

小步迈,大未来

自动化空气分析联合项目于 2015 年 8 月开始,10 月底完成交付。新系统已于 2016 年初投入使用。CERN CMS 气体安全主管 Gerd Fetchenhauer 解释说:鉴于我们多年来在 CERN 和 CMS 中一直使用 Festo 产品,并且对这些产品非常满意,因此Festo 是提供这项技术的不二选择。”

过去我们主要是购买单个组件,而即可安装的系统解决方案是 Festo 和 CERN 合作多年以来的第一次。它为大型强子对撞机的其他探测器中的类似应用奠定了基础,因此,小迈步可以继续带来重大的新科学发现。


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