Magnete im LHC – unverzichtbar und sensibel

Im September 2008 kreisten erstmals Protonen im leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, doch schon wenig später ereignete sich ein technischer Unfall und legte den LHC für viele Monate lahm. Die Ursache: In den Magneten gespeicherte Energie hatte sich schlagartig entladen. Techniker und Wissenschaftler haben aus dem Vorfall gelernt.

Der LHC ist ein knapp 27 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger, der Protonen und geladene Atomkerne auf hohe Energien und dann zur Kollision bringt. Zu den wichtigsten Komponenten des Beschleunigers gehören die supraleitenden Magnete: Ingesamt 1232 Dipolmagnete – also Magnete mit einem Nord- und einem Südpol – halten die Teilchen auf einer geschlossenen Bahn innerhalb des Tunnels. Die jeweils 15 Meter langen Magnete umschließen dazu die Strahlrohre, in denen die Protonen kreisen, und rufen ein an die Teilchenenergie angepasstes Dipolfeld hervor: Eine Strahlenergie von sieben Teraelektronenvolt erfordert beispielsweise ein Magnetfeld von etwas über acht Tesla – das ist fast hundertmal stärker als ein handelsüblicher Hufeisenmagnet.

Solche Magnetfeldstärken werden am LHC durch Elektromagneten erzeugt, also mithilfe eines elektrischen Stroms, der durch eine Spule fließt. Dabei ist Genauigkeit gefragt: Das Feld darf über die gesamte Länge der Magneten nur etwa um 0,01 Prozent von dem eines idealen Dipols abweichen. Ansonsten ließen sich die Protonen nicht lange genug im Speicherring halten, um die gewünschten Experimente mit ihnen durchzuführen. Auch der Verlauf und die Qualität der Magnetfeldlinien werden durch die Anordnung der Spulenwicklungen bestimmt. Die Anforderungen an die Magnetfeldqualität im LHC verlangen dabei eine Stabilität und Genauigkeit in der Ordnung von einigen Mikrometern.

Kaum Spielraum

Damit die Spulen die erforderliche Magnetfeldstärke erreichen, sind Stromstärken von mehr als zehntausend Ampere nötig – ein so hoher Strom kann nicht mehr durch gewöhnliche Kupferkabel geleitet werden. Denn diese würden sich zum einen durch Ohmsche Verluste so stark erwärmen, dass die Spulen beim Betrieb schmelzen, und zum anderen einen unakzeptablen Energieverbrauch für den Betrieb des Beschleunigers bedeuten. Im LHC kommen deshalb supraleitende Kabel zum Einsatz, in denen der Strom verlustfrei fließt.

Einblick in den Speicherring

Die Supraleiter bestehen aus einer Niob-Titan-Legierung, ähnlich wie schon bei anderen Beschleunigern etwa dem Tevatron in den USA. Allerdings ist das Magnetfeld im LHC fast doppelt so groß wie das in früheren Anlagen. Damit reizt der LHC die Leistungsfähigkeit der Niob-Titan-Kabel voll aus. Eine Herausforderung stellen vor allem die für supraleitende Kabel benötigten Betriebsbedingungen dar: Bei einem Magnetfeld von acht Tesla und einer entsprechenden Stromdichte von etwa ein- bis zweitausend Ampere pro Quadratmillimeter haben Niob-Titan-Leiter eine Operationstemperatur von weniger als minus 271 Grad Celsius, das sind nur gut zwei Grad oberhalb des absoluten Nullpunkts. Überschreitet die Temperatur beim Betrieb der Magnete diesen Wert, werden die Kabel normalleitend und es kommt wie in normalen Kupferkabeln zu Ohmschen Wärmeverlusten, wodurch sich das Material aufheizt.

Selbst eine kleine, lokale Erwärmung der Kabel kann daher zu einem unaufhaltsamen Verlust der Supraleitung führen. In einem solchen Fall muss die in den Spulen gespeicherte elektromagnetische Energie schnellstmöglich abgeleitet werden – bevor die entstehende Hitze den Magneten beschädigt. Den plötzlichen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand bezeichnen Physiker als „Quench“. Da ein Quench technisch nicht auszuschließen ist, muss jeder Magnet so konzipiert und gebaut sein, dass er im Betrieb einen solchen Vorfall unbeschadet überstehen kann.

Verlust der Supraleitung

Während des LHC-Betriebs misst ein Schutzsystem kontinuierlich, ob eine Spannungsdifferenz zwischen elektrischem Ein- und Ausgang der Magnetspule vorhanden ist. Denn bei einem idealen Supraleiter und konstantem Strom dürfte dies nicht der Fall sein. Übersteigt die gemessene Spannung einen vorgegebenen Grenzwert, so leitet das sogenannte Quench-Protektions-System die folgenden Schritte ein: Die Protonen werden aus dem Beschleuniger geleitet, um weitere Sekundärschäden durch die in den Strahlen gespeicherte Energie zu vermeiden. Bei einem Betrieb mit 7 Teraelektronenvolt, entsprechend einer Kollisionsenergie von 14 Teraelektronenvolt, wäre in jedem der beiden Protonenstrahlen eine Energie von rund 370 Megajoule gespeichert – genug, um tausend Liter Wasser schlagartig zum Sieden zu bringen. Zudem wird die Stromzufuhr zu den Magneten abgeschaltet und die betroffenen Magnete werden durch integrierte Heizkabel gleichförmig aufgewärmt, um die Energieverluste gleichmäßig über die Spulen zu verteilen. Gleichzeitig wird der in den Magneten gespeicherte Strom über spezielle Dioden abgeführt.

Folgen des Unfalls im September 2008

Trotz dieser Maßnahmen lassen sich die Magnete nicht sofort mit maximaler Leistung betreiben. Vielmehr tasten sich die Wissenschaftler langsam zu höheren Feldstärken vor, wobei einige der Magnete noch einmal einen oder sogar mehrere sogenannte Trainingsquenche durchlaufen. Als im August 2008 mit ersten Injektionstests in beiden Ringen begonnen wurde und einen Monat später dann die ersten Protonstrahlen im Beschleuniger kreisten, waren noch nicht alle Magnete für einen Betrieb bei sieben Teraelektronenvolt trainiert worden. Das holte man zwischen den Injektionstests – ohne gespeicherte Protonenstrahlen – nach.

Bei einem solchen Magnettraining kam es am 19. September 2008 zu einem folgenschweren Unfall: In einer Verbindung zwischen zwei benachbarten LHC-Magneten trat ein Quench auf und wurde nicht vom Quench-Protektions-System registriert. Denn das ursprüngliche Frühwarnsystem verfolgte zwar die Spannung über jeden einzelnen Magneten, nicht aber einen eventuellen Spannungsabfall in den Verbindungsstücken – und so blieb das Ereignis unerkannt. Folglich wurde die in den Magneten gespeicherte Energie auch nicht über die dafür bereitstehenden Dioden abgeführt, sondern entlud sich in Form eines Lichtbogens über der betroffenen Verbindungsstelle.

Entdeckung des Higgs-Bosons

Die umliegenden Vakuumrohre und Heliumleitungen platzen auf und riefen eine Druckwelle hervor, die sich über mehrere Hundert Meter ausbreitete. Eine Reihe von Magneten verschob sich dadurch, teilweise wurden sie sogar von ihren Stützfüßen geworfen. Die Reparaturarbeiten, bei denen man die betroffenen Magnete austauschte und das Quench-Protektions-System grundsätzlich überarbeitete, dauerten ein Jahr. Im November 2009 nahm der LHC erneut seinen Betrieb auf. Dabei zeigte sich, dass andere Magnetverbindungen im LHC ebenfalls Schwachstellen aufweisen, die einen ähnlichen Schaden anrichten könnten wie im September 2008, wenn sie mit dem Sollstrom betrieben werden.

Lage des Ringbeschleunigers LHC

Damit sich der Start des LHC nicht weiter verzögert, beschloss man damals, die Strahlenergie auf 3,5 Teraelektronenvolt zu begrenzen. So ließen sich die Magnete mit geringerem Strom betreiben und das Risiko für Schäden an der Maschine durch ähnliche Unfälle reduzieren. Erste Kollisionen der Protonenstrahlen fanden schließlich im März 2010 statt. In den folgenden zwölf Monaten entstand nur eine relativ geringe Datenmenge. Denn man musste zunächst alle Komponenten gründlich überprüfen und die fehlerfreie Funktionalität aller Schutzmechanismen sicherstellen.

Ende 2011 hatte der LHC bereits eine 150-mal größere Datenmenge als im ersten Betriebsjahr geliefert. Um die Entdeckung des Higgs-Teilchens noch vor der ersten langen Betriebspause des LHC von 2013 bis 2015 zu ermöglichen, versuchte man, die Datenmenge weiter zu steigern. Nach einer gründlichen Analyse aller Magnetverbindungsstücke wurde die Strahlenergie dann in 2012 von 3,5 auf 4 Teraelektronenvolt erhöht. Durch diesen Schritt erzeugte der LHC am Ende seiner ersten Operationsphase mehr Daten als alle vorherigen Hadronencollider zusammen. Dank dieser Datenflut konnten Wissenschaftler von den Experimenten CMS und ATLAS im Juli 2012 schließlich die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt geben.