Mit einem Umfang von fast 27 km ist der Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Seine Größe und Leistung hat es der weltweiten Forschungsgemeinde ermöglicht, die elementarsten Bausteine der Materie zu entdecken und die fundamentalen Kräfte der Natur besser zu verstehen.
„Um heute noch tiefer in die Welt der subatomaren Teilchen einzudringen und die Geheimnisse des Universums zu erforschen, brauchen die Forscher mehr Leistung. Sie suchen gewissermaßen nach einer Turboversion des LHC“, erklärt Thomas Bottlang, VAT/CERN-Projektkoordinator.
Derzeit kann der LHC eine Milliarde Protonenkollisionen pro Sekunde auslösen. Die Wissenschaftler, die die Experimente am CERN durchführen, wollen jedoch mindestens fünf Milliarden Kollisionen erreichen. Für die fünffache Leistung müssen zum einen mehr Protonen durch den in 100 Meter Tiefe liegenden Ring sausen. Dies tun sie gebündelt, in gegenläufiger Richtung und einem Tempo, das nur knapp unter Lichtgeschwindigkeit liegt. Zum anderen gilt es, ihre Zusammenstöße in dichteren Bündeln und auf kleineren Raum zu fokussieren: Der bisherige 16-Mikrometer-Fokus wird sich auf acht Mikrometer reduzieren. Dies erhöht die Anzahl der Teilchen, die miteinander kollidieren, und entsprechend bessere Beobachtungsmöglichkeiten erhalten die Forscher.
Um die Leistung des LHC zu steigern, müssen erheblich stärkere Magnete und neue Tunnelabschnitte hinzukommen. Diese Aufrüstung, die eine Milliarde Euro kosten soll, ist ein wichtiger Bestandteil des High-Luminosity-Projekts. HiLumi soll die Luminosität des LHC um den Faktor 10 erhöhen. Die Luminosität ist hier ein Wert für die Anzahl der Kollisionen, die in einem Beschleuniger in einer bestimmten Zeitspanne pro Flächeneinheit stattfinden.
„Je höher die Luminosität, desto höher die Leistung eines Beschleunigers", erläutert Thomas Bottlang. „Eine höhere Luminosität erzeugt mehr Daten, die in Experimenten gesammelt werden können, um eine genauere Beobachtung seltener Prozesse zu ermöglichen.“
Höhere Luminosität bedeutet höhere Belastung für Ventile.
Die in einem Hochleistungsteilchenbeschleuniger notwendige Ultrahochvakuum-Umgebung setzt Schlüsselkomponenten – auch die Ventile – einer hohen Belastung aus. Hinzu kommen Temperaturen bis zu 300°C während der Konditionierung der Ventile und die intensive Strahlung. Die extremen UHV-Umgebungen erfordern äußerst robuste Vakuumventile, die Teile des Beschleunigers zuverlässig und präzise abdichten und ein möglichst hohes Vakuum aufrechterhalten.
Die im LHC installierten VAT Ganzmetallventile sind für die extremen Umgebungsbedingungen ausgelegt. Zum Einsatz kommt die bei VAT selbst entwickelte VATRING-Dichtungstechnologie. Die Ventile gewährleisten eine zuverlässige, langfristige Dichtungsleistung. Wo sich andere Metalldichtungen verformen würden und häufig ausgetauscht werden müssten, arbeiten VAT Ganzmetallventile mit konstanter Schließkraft, weil die Ventildichtung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Ausschließlich solche wartungsfreien Vakuumventile können in schwer zugänglichen Bereichen des 27 km langen LHC-Tunnels installiert werden.
„Die innovative VAT-Technologie verleiht unseren Ganzmetallventilen die nötige Langlebigkeit und Leistung, die im HiLumi-Upgrade für den LHC spezifiziert wurde“, fasst Thomas Bottlang zusammen. „Dies lässt eine optimale Abdichtung auch bei sehr hohen Differenzdrücken zu.“
Das HiLumi-Projekt soll im Zuge einer internationalen Zusammenarbeit von 29 Institutionen in 13 Ländern unter der Leitung des CERN bis 2027 abgeschlossen sein.