Teilchenbeschleuniger Riesenmagnete von mikroskopischer Präzision

Es ist ein Projekt der Superlative. Beim Europäischen Kernforschungszentrum Cern in Genf entsteht der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. 2007 soll er anlaufen. Dann wird die kreisförmige Maschine Large Hadron Collider (LHC) mit dem beachtlichen Umfang von 27 Kilometern geladene Bestandteile des Atomkerns - die Protonen - mit nahezu Lichtgeschwindigkeit (genau 99,9999991 Prozent) auf entgegengesetzten Bahnen frontal aufein- anderprallen lassen. Die Ergebnisse der milliardenfachen Kollisionen werden in monströsen Detektoren analysiert, in denen so manche Kirche Platz fände. Ziel der Wissenschaftler ist der Blick in die Anfänge des Universums vor etwa 15 Milliarden Jahren - mit einer Genauigkeit weit jenseits dessen, was modernste Mikroskope zu erkennen vermögen.

So weit die Aufgabe, der die Physiker sich stellen. Doch auch die Entwicklungsingenieure haben viel zu tun. Schließlich besteht so ein Beschleuniger nicht einfach nur aus zwei ringförmigen Edelstahlröhren, in denen die Teilchen freiwillig jeweils links- oder rechtsherum kreisen, um an vier ausgewählten Punkten - dort wo die Detektoren stehen - frontal zu kollidieren. In den Röhren braucht es ein hervorragendes Vakuum, wie es 1000 Kilometer über der Erdoberfläche herrscht; sonst würden die Protonen durch andere Partikel gebremst oder gestreut. Um die Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen (das sind fast 300.000 Kilometer je Sekunde), ist viel elektrische Energie vonnöten. Und schließlich funktioniert so ein Beschleuniger nicht ohne Hochleistungsmagnete. Rund 9300 sind entlang den Ringröhren installiert.

Kräftig Strom pumpen

858 sogenannte Quadrupolmagnete bündeln den Teilchenstrahl wie eine Sammellinse das Licht. Dipolmagnete halten die Protonen auf ihrer Kreisbahn. Denn die machen sonst nichts anderes als ein Auto bei Glatteis in einer Kurve: Die Fliehkräfte zwingen sie einfach geradeaus weiter. 1232 dieser Dipolmagnete hindern sie daran. Sie sind als Glanzlicht die fertigungstechnisch größte Herausforderung und schlucken rund 60 Prozent des LHC-Budgets. Die beiden „beam pipes“ sind damit dicht bestückt. Die komplexen Elektromagnete, eigens für den LHC erdacht, umgeben rund zwei Drittel der 27 Kilometer langen Kreisbahn. Hinzu kommen je Strahlrohr acht Beschleunigungselemente mit elektrischen Hochfrequenzfeldern und die bereits erwähnten Quadrupole.

Mit dem, was wir zu Hause finden, haben diese elektrischen Dipolmagnete wenig gemein. Allein die schiere Kraft und Größe ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal. Magnetfelder bis zu 9 Tesla kann jeder der 35 Tonnen schweren und 15 Meter langen Dipolmagnete erzeugen. Das entspricht etwa dem 270.000fachen Erdmagnetfeld und liegt deutlich über dem, was zum Beispiel Kernspintomographen für die medizinische Diagnostik leisten. Dafür muss man allerdings kräftig Strom durch die Dipole pumpen.

Strombedarf wie Potsdam

Um den Energiebedarf des Speicherrings in Grenzen zu halten und die Leistung der Magnete zu steigern, sind die Spulen der Dipolmagnete aus supraleitenden Niob-Titan-Drähten gewickelt. Leider stellt sich die Supraleitung - der verlustfreie Transport von Strom - erst bei sehr tiefen Temperaturen ein. Betrieben werden die Magnete deshalb bei minus 271 Grad Celsius, ein Wert, bei dem in der belebten und unbelebten Natur fast alles erstarrt, während die Elektronen in ihrem Supraleiter so richtig munter werden. Als Kühlmittel kommt Helium zum Einsatz. Fast 300 Grad unter Raumtemperatur gelten allerdings andere Gesetze. So hat das superflüssige Edelgas dann die unschöne Nebenwirkung, in jede noch so winzige Ritze zu kriechen - es wird superflüssig. Die aufwendige Kühltechnik ist deshalb auch einer der Gründe für das komplexe Design der Dipolmagnete.

Um mit so wenig Kühlmittel wie möglich auszukommen, wurden beide „beam pipes“ samt Dipolen in einem „2 in 1“-Gehäuse installiert. Trotzdem „schwappen“ immer noch rund 700.000 Liter Helium um die „kalten Massen“ dieses größten Gefrierschranks der Welt, mit dem auch die Quadrupole und die Beschleunigungsstrukturen auf supraleitende Temperaturen gebracht werden. Ohne supraleitende Technik wäre das Projekt zum Scheitern verurteilt. Kupferdraht schmilzt bei solchen Stromstärken schlicht dahin. Und für einen Betriebsstrom von 11.800 Ampere hätte man viele große Kraftwerke bauen müssen. Nun genügen gut 120 Megawatt - immerhin noch der Bedarf einer Stadt von der Größe Potsdams.

Kühlmittel Helium

Bei der Herstellung der Dipolriesen mussten zudem enge Toleranzen zwischen einem zehntel und einem hundertstel Millimeter eingehalten werden. Der Grund: Die Geometrie der Magnetspulen beeinflusst die Form des Magnetfelds und damit die Qualität des Teilchenstrahles. Schon kleine Fehler haben große Folgen, denn die Protonen kreisen im LHC-Speicherring rund 11000 Mal in der Sekunde durch die beiden Röhren. Winzige Abweichungen summieren sich in kürzester Zeit. Wie empfindlich solch eine gigantische Teilchenschleuder ist, zeigt ihre Reaktion auf äußere Einflüsse. Schon vom Vorgängerbeschleuniger LEP konnten die Wissenschaftler des Cern die Schwerkraft des Mondes oder die Gezeitenkräfte an der Nordsee durch Strahlabweichungen in den Vakuumröhren erkennen.

Um die Form der Dipolmagnete möglichst kompakt und den Energieverbrauch in Grenzen zu halten, haben Ingenieure eine Konstruktion erdacht, mit der beide gegenläufigen Protonenstrahlen gleichzeitig abgelenkt werden können. Dazu braucht man zwei gleich starke, entgegengesetzte Magnetfelder. Jeweils zwei Spulenwicklungen bilden einen Dipol, der die „beam pipe“ umgibt. Durch deren Leiterbündel fließen später Ströme umgekehrter Polarität. Dann werden die beiden Dipole in Klemmringen und einem gemeinsamen Magnetjoch vereint. Schließlich wird die Einheit in einen Zylinder eingesetzt, der die mechanische Stabilität sichert und das Kühlmittel Helium einschließt, in das die komplette Struktur getaucht wird.

32.000 Tonnen Druck

Bei Babcock Noell (BNG) in Würzburg und Zeitz entstanden 416 der 1232 Dipole. Schon Anfang der neunziger Jahre begann man dort die ersten Prototypen „in Grund und Boden“ zu messen. 1999 startete die Serienfertigung. Hier wird ein zunächst aus Niob-Titan-Kabel hergestelltes, 1,5 Zentimeter breites Supraleiterband mit einer achtachsigen Spezialmaschine absolut gleichmäßig zu einer 15 Meter langen Spule mit der Form einer Halbschale gewickelt. Da beim künftigen Einsatz starke magnetische Kräfte auf die Spulen wirken, werden sie mit Hilfe eines Spezialklebers bei hohem Druck und 200 Grad Celsius gebacken und erst dann je zwei zu einem Dipol zusammengefasst. Dazwischen liegen die Edelstahlrohre, durch die später die Protonen jagen.

Zwar sind Protonen Fliegengewichte, doch die Energie aller im Ring kreisenden Teilchen summiert sich zu der eines 40- Tonnen-Lastwagens, der mit 400 km/h dahinbraust, gebändigt ausschließlich durch Magnetfelder. Die erzeugen Kräfte, die ihrerseits im Zaum gehalten werden wollen. Mit 400 Tonnen je Meter zerren sie an den umgebenden Strukturen. Deshalb brauchen die beiden Dipole eine starke Klammer. Dazu werden Halbschalen aus nichtmagnetischem Edelstahlblech von zwei Seiten gegen die Dipole geschoben. Eine gewaltige Presse bringt die Klammerbleche mit 32.000 Tonnen Druck zur Deckung und sorgt für die notwendige Vorspannung. In dieser Kollerpresse wird der fünf Tonnen schwere Edelstahlmantel mit langen Bolzen - den Kollerstangen - fixiert. Elektromagnete und Beschleunigerröhre bilden jetzt eine Einheit.

Messen, messen, messen

Die wird in ein Joch aus magnetischen Blechen eingebaut, die das Magnetfeld führt und optimiert. Darauf kommt die Außenhülle. Sie umgibt die „kalte Masse“, also den kompletten mit Helium gekühlten Bereich. Noch ist die komplexe Konstruktion allerdings gerade. Damit die gut 1200 Magnete einen Kreis bilden, wird jeder 15-Meter-Dipol um nur 9 Millimeter gekrümmt. Diesen vielleicht schwierigsten Fertigungsschritt vollzieht eine Schweißpresse mit einer Genauigkeit von einem hundertstel Millimeter. Damit die marginale Biegung auch nach Pressen erhalten bleibt, werden die Halbschalen der Hülle noch in der Presse verschweißt. Die vierlagige Hülle ist dann absolut dicht, so dass kein Kühlmedium entweichen kann. Dann werden Abschlusskappen aufgesetzt und verschweißt.

Besonders das Schweißpressen ist ein komplexes Unterfangen. Schließlich muss der komplette, bei Raumtemperatur gefertigte Dipol bei minus 271 Grad spannungsfrei die vorgegebene Form halten. Abweichungen von mehr als einem zehntel Millimeter sind tabu. Am Ende der Produktion heißt es deshalb messen, messen, messen. Ein Lasertracker hilft bei der präzisen Ausrichtung der Anschlüsse. In Kalttests wird das Verhalten des Dipols bei Betriebstemperatur untersucht. Druck- und Vakuumprüfungen, elektrische und magnetische Tests folgen. Brauchte man für die Fertigung des ersten Prototyps noch sechs Monate, verließen gegen Ende der Produktion jede Woche 3,5 Magnete die Werkshallen. Der letzte ging am 5. November 2005 nach Genf.

Hochleistungsdatennetz

Dort wurde Ende September 2006 der tausendste Dipol montiert. Wenn das neue Flaggschiff der Teilchenphysik wie geplant im November 2007 anläuft, ist die Höchstleistung anderer „Gewerke“ gefragt. Besonders die Informationstechnik muss bei mehreren hundert Millionen Protonen-Kollisionen je Sekunde zur Hochform auflaufen. Denn läuft die Maschine einmal mit Volllast, dann liefern die Experimente rund ein Prozent des weltweiten Datenaufkommens. Um das zu bewältigen, kreierten die IT-Fachleute am Cern, wo 1990 das World Wide Web erdacht wurde, eigens ein neues Hochleistungsdatennetz, in dem Forschungseinrichtungen aus aller Welt zusammengeschlossen sind. Beim Cern hat man das neue Netz LCG (LHC-Computer Grid) oder kürzer „The Grid“ getauft.