Al duizenden jaren is de mensheid gefascineerd door het universum. In de huidige tijd zijn enkele van de meest spectaculaire ontdekkingen over de samenstelling van het universum gedaan met de deeltjesdetectoren bij CERN. De pompen die specifieke gasmengsels door deze deeltjesdetectoren laten circuleren, moeten zeer betrouwbaar zijn en de gassen vrijwaren van verontreiniging. CERN vertrouwt op KNF membraanpompen om aan deze strenge eisen te voldoen.

Waar is het universum van gemaakt? Deze fundamentele vraag probeert CERN te beantwoorden. De unieke en toonaangevende onderzoeksfaciliteit doet dit door de fundamentele structuur te onderzoeken van de deeltjes waaruit alles om ons heen is opgebouwd.

Diep onder de grond begraven, deels in Zwitserland, deels in Frankrijk, worden verschillende circulaire en lineaire deeltjesversnellers gebruikt voor experimenten die al een aantal baanbrekende resultaten hebben opgeleverd, zoals de ontdekking van het Higgs boson-deeltje of de isolatie van antimaterie in de vorm van anti-waterstof.

Diepere inzichten in materie verkrijgen

Om omgevingsinvloeden zoals straling op te heffen, bevindt de grootste deeltjesversneller bij CERN, de Large Hadron Collider (LHC), zich 100 meter (328 voet) onder de grond. De indrukwekkende tunnel is 3,8 meter (12,5 voet) breed en bijna 27 kilometer (16,8 mijl) lang. Hier worden deeltjes versneld tot net onder de lichtsnelheid en met elkaar in botsing gebracht. Een reeks detectoren registreert vervolgens de verschijnselen die optreden tijdens deze botsingen.

Wanneer geladen hoogenergetische deeltjes langs edelgasmoleculen crashen, laten ze een spoor van ionisatie achter. Deze kleine signalen kunnen worden versterkt met behulp van elektrische velden en vervolgens elektronisch worden gemeten om deeltjessporen met een hoge mate van precisie te onthullen. De resultaten van deze experimenten bieden CERN-wetenschappers diepere inzichten in de structuur van materie.

Gassen spelen belangrijke rol in CERN

CERN gebruikt zo'n dertig gassystemen om het juiste gasmengsel te leveren aan de detectoren bij de Large Hadron Collider-experimenten. Het detectorgasmengsel is een gevoelig medium. Daarin produceert een ladingsvermenigvuldiging een signaal dat vervolgens opgenomen en geanalyseerd wordt.

Daarom is een correcte en stabiele samenstelling van het gasmengsel de sleutel tot een betrouwbare werking van de LHC-experimenten. Gasmengsels voor deze deeltjesdetectoren zijn samengesteld uit edelgassen zoals argon, xenon, helium en andere gassen zoals tetrafluormethaan, tetrafluorethaan, zwavelhexafluoride, isobutaan en kooldioxide.

Onderzoek naar het Higgs-boson bevorderen

De vier belangrijkste deeltjesdetectoren bij CERN staan bekend als A Large Ion Collider Experiment (ALICE), ATLAS, Compact Muon Solenoid (CMS) en Large Hadron Collider beauty (LHCb). De CMS-detector, waar KNF membraanpompen worden gebruikt om de specifieke gasmengsels te zuiveren en te laten circuleren, is 21 meter (68,9 voet) lang, 15 meter (49,2 voet) breed, 15 meter (49,2 voet) hoog en weegt 14.000 ton. Hij is opgebouwd uit vijftien secties en bevindt zich in een hal op 100 meter (328 voet) diepte onder de grond in de buurt van Cessy in Frankrijk. De CMS-experimenten zijn vooral bedoeld om het onderzoek naar het Higgs-deeltje, dat in juli 2012 bij CERN werd ontdekt, voort te zetten.

Gasrecirculatie en recuperatie

Milieu-onvriendelijke chloorfluorkoolstoffen, bekend als freonen, spelen ook een essentiële rol in de gasmengsels van de detector, aangezien zij het mogelijk maken de detectorprestaties te bereiken die nodig zijn voor de LHC-experimenten (hoge capaciteit, containment van ladingsvermenigvuldiging, detectorstabiliteit op lange termijn, enz.) Om dit probleem aan te pakken, doen natuurkundigen bij de LHC momenteel onderzoek naar eco-gassen voor de volgende generatie detectoren.

Daarnaast ontwikkelt CERN's EP-DT Gas Team gasrecuperatiesystemen voor het grote experiment, naast de reeds gebruikte gasrecirculatiesystemen, evenals een compact en flexibel gasrecirculatiesysteem voor laboratoriumtoepassingen om eventuele gasvormige emissies van de detectoractiviteiten te elimineren. Het recirculeren en terugwinnen van de gasmengsels verlaagt ook de bedrijfskosten van CERN.

KNF membraanpompen

Na tientallen jaren KNF membraanpompen te hebben ingezet, weet CERN hoe betrouwbaar deze presteren. Ook hecht CERN grote waarde aan de flexibiliteit van KNF bij het implementeren van projecten en het leveren van oplossingen op maat. Er is daarom gekozen voor twee KNF pompen om de gasmengsels in de CMS-deeltjesdetector te zuiveren en te laten circuleren.

Een derde pomp dient als back-up in geval van een storing tijdens een experiment. Omdat detectorgasmengsels vrij van verontreinigingen moeten zijn en hun circulatie op geen enkele manier mag worden belemmerd, hebben KNF procespompen bewezen de ideale oplossing te zijn vanwege hun reinheid, gasdichtheid en betrouwbaarheid.

Speciaal op maat gemaakt voor CERN

De pompen die momenteel bij CERN in gebruik zijn, zijn het resultaat van een nauwe samenwerking en een hoog niveau van maatwerk. Op basis van een KNF N 0150 zijn de pompen uitgerust met de pompkopgeometrie van een KNF N 1200.

Ze werden bovendien nog aangepast door een werkdiafragma te combineren met een extra veiligheidsmembraan dat voorkomt dat gas ontsnapt in het onwaarschijnlijke geval van een breuk. Ondanks het hoge niveau van maatwerk, duurde dit proces in totaal slechts 18 maanden ontwikkeling, inclusief strenge fabriekstesten.

“Deeltjesdetectoren zijn extreem gevoelig voor de aanwezigheid van onzuiverheden in concentraties, zelfs onder het ppm-niveau. KNF pompen zijn getest en ze zorgen ervoor dat aan deze eis wordt voldaan”, aldus Roberto Guido, Project Leader, EP-DT Gas Team bij CERN.