Der Large Hadron Collider (LHC) hat einen Umfang von 26,659 km und ist damit der größte Teilchenbeschleuniger, der momentan der globalen Forschergemeinschaft zur Verfügung steht. Mit dem LHC konnte beispielsweise die Existenz des Higgs-Bosons bestätigt werden, wofür François Englert und Robert Higgs 2013 den Nobelpreis für Physik erhielten. Doch wie es so ist in der Wissenschaft – jede Entdeckung wirft neue Fragen auf, für deren Beantwortung die technische Ausstattung weiterentwickelt werden muss. Das LHC beschleunigt Protonenpakete auf bis zu 99,9999991 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Dies entspricht einer Schwerpunktenergie von 14 Teraelektronenvolt (TeV). Klingt nach viel? Reicht aber nicht.
Die Erforschung von dunkler Materie, Baryonenasymmetrie und anderen Aspekten der Teilchenphysik, die das Standardmodell nicht erklären kann, verlangt weit höhere Schwerpunktenergien. Ein neuer Ringbeschleuniger, der Future Circular Collider (FCC), soll Abhilfe schaffen. Die nach ersten theoretischen Überlegungen etwa 100 (!) Kilometer umfassende Anlage soll eine bis zu zehnmal höhere Schwerpunktenergie erzeugen. Wie die genauen Werte aussehen, wird man erst nach Abschluss der Machbarkeitsstudie voraussichtlich 2026 wissen. Bis dahin untersucht das Projektteam mehrere Varianten, die unterschiedliche technische Weiterentwicklungen erfordern. Zum Beispiel braucht ein noch größerer Hadronenbeschleuniger doppelt so starke supraleitende Magnete.
Was läuft vakuummäßig im Teilchenbeschleuniger ab?
Ein Teilchenbeschleuniger besteht aus einem Ring aus Dipolmagneten, die zwei parallel zueinander verlaufende, jeweils nur wenige Zentimeter durchmessende Röhren umschließen. In diesen sogenannten Strahlröhren oder Beam Pipes kreisen Protonenpakete in entgegengesetzter Richtung, sodass sie miteinander kollidieren können. Damit die beschleunigten Teilchen zuvor nicht schon mit Gasmolekülen der Restluft zusammenstoßen, muss in den Röhren ein möglichst perfektes Vakuum herrschen.
Daher gilt für alle Teilchenbeschleuniger: In den wichtigen Bauteilen herrscht ein Ultrahochvakuum. Dieses ist stellenweise so extrem wie die Maschine selbst. Im besten Fall wird ein Druck von 10-16 bar erreicht. Das entspricht dem atmosphärischen Druck auf der Oberfläche des Erdmondes – für den die meisten Menschen annehmen, dass er gar keine Atmosphäre hat!
Für den Betrieb der zahlreichen supraleitenden Elektromagnete, die die Partikelstrahlen führen und fokussieren, wird ebenfalls ein Vakuum benötigt, wenn auch «nur» ein Hochvakuum. Schließlich transportieren von einem Vakuum umschlossene Versorgungsleitungen das flüssige Helium, das die Magnete auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt kühlt und Supraleitung zulässt. Das ummantelnde Vakuum sorgt dabei für die bestmögliche Reduzierung des Wärmeflusses.
Die Herausforderung für Ventile ist groß
Vakuum im Teilchenbeschleuniger bedeutet: Ventile überall. Sie regulieren nicht nur den kontrollierten Zu- und Abstrom von Gasen, sondern erlauben als Sektorventile, einen Teilbereich des Beschleunigers für Wartungszwecke abzuschotten oder sorgen als sogenannte Beam Stopper auch für eine schnelle Unterbrechung von Teilchen- oder Energiestrahlung im Beschleunigersystem. Sie müssen allesamt sehr hohen Beanspruchungen standhalten, die vom extrem tiefen Vakuum, lokal hohen Temperaturen und der intensiven Strahlung, die in Teilchenbeschleunigern immer auftritt, herrühren. Deswegen sind Elastomere als Dichtungen für den Einsatz in Beschleunigern nicht geeignet, sie würden austrocknen und zerfallen. Es schlägt die Stunde der Ganzmetallventile.
Ganzmetallventile sind frei von jeglichen Elastomeren; sie dichten «hart-auf-hart». D.h. die Teller- und Kopfdichtungen sind mit Metalldichtungen versehen. Dies macht sie nicht nur wiederstandfähig gegen die extremen Umgebungsbedingungen, sondern erlaubt auch sehr hohe Ausheiztemperaturen, mit denen mögliche, verbliebene adsorbierte Stoffe an den Oberflächen der Ventile entfernt werden können. Die Ausheiztemperaturen können bis zu 300°C betragen, in offener und geschlossener Ventilposition.
Die von VAT als Kopf- oder auch Flanschdichtungen eingesetzten VATSEAL-Dichtungen überzeugen dabei durch besonders gute Formeigenschaften, d.h. die aus silberbeschichtetem Kupfer gefertigten Dichtungen bieten elastische Eigenschaften, mit denen Sie sich besonders gut an die Oberflächenkonturen der Dichtflächen anpassen können und damit eine optimale Dichtung auch bei sehr hohen Differenzialdrücken bieten.
Für die Tellerdichtungen verwendet VAT seine spezielle VATRING-Dichtungstechnologie. Dieses dynamische Ganzmetall-Dichtsystem ist in der Lage, dauerhaft zuverlässig abzudichten und konstante Schließkräfte zu erzeugen. Es ermöglicht hohe Dichtkräfte bei vergleichbar geringen Axialkräften. Die Dichtpartner sind aus Edelstahl gefertigt, silberbeschichtet und verformen sich nur elastisch. D.h. wo andere Metall-Dichtungen nach einem Schließvorgang ausgetauscht werden müssten, weil sie verformt wären, kann bei der VATRING-Technologie wiederholt geschlossen werden, da die Dichtung wieder in die Ursprungsform zurückgeht. Dies reduziert den Wartungsaufwand für Ganz-Metall-Ventile erheblich, was letztlich Zeit und Kosten spart. Kein Wunder also, dass die Zusammenarbeit von VAT als Marktführer für Ganzmetallventile mit Beschleunigerprojekten wie dem 100-Kilometer-Collider am CERN eine langjährige und zukunftsträchtige ist.