移动CT系统在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的原位测试

移动CT系统在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的原位测试

欧洲核研究组织(CERN)是由20个欧盟成员国和粒子物理学代表一个基本的粒子加速器。带电粒子被加速到高能量之前,他们之间的探测器,这是坐落在碰撞点,碰撞。基本粒子之间,亚原子大小的功能,但有一个巨大的能源提供的碰撞,代表了目前区域内的粒子物理学家研究我们的宇宙,在其建立后,必须已经存在,只在几分之一秒的属性。

LHC

粒子加速器(LHC)[1]是最大和最新的高能量物理的世界级工厂,被加入到已经存在的欧洲核子研究中心加速器复杂。它被安装在大多数情况下在一个环形的通道,其标称内径为3.8米,26.65公里(图1)的圆周表面的日内瓦盆低于约100米。

图1:在他的地下隧道中的粒子加速器(LHC)

四种不同的探测器,安装在一个大洞穴,对称布置大型强子对撞机周围的粒子束过境点。大型强子对撞机是配备2不同的喷嘴,来(每管)节省2反质子或离子束能量高达7 TeV的一个标称峰值亮度为1034 CM-2S-1和探测器内的中心大量能量高达被带到14 TeV的碰撞。超导磁体需要顾及营运成本,高的磁场,从而控制这种能量粒子在地下隧道的局限和聚焦,以产生可接受的服用。
其中超过7500名,其中包括大型强子对撞机的超导磁体约1232主环偶极子,每个约15米的长度和438的主环四极杆,每个已安装的约8米长,并与另一个部门8 22.5公里的加速器周长来完成连接。

连接区

每个主环的偶极和四极杆的主环通过连接管连接到它的邻居。该连接管在这里被称为连接区,因为它包含多个紧固件。图2示出各种配管的示意性表示。此管包含两个低温和电气设备,以及热和喷射真空连接,通过连接到下一个区域的偶极子磁铁。

图2:一个开放的偶极 - 偶极LHC的接合区域的示意图

两个相邻的超导磁体(图3)之间的每个连接区与现代工业技术完成。

图3:一个完整​​而封闭的大型强子对撞机的两个偶极磁铁之间的连接区域

在大型强子对撞机超过40,000弧熔化焊接已超过60,000个连接之间的超导电缆,以确保持续的低温,电气和真空连接供应磁铁,磁铁和,最终围绕整个储存环。在粒子加速器主环磁铁电源,可提供功率高达13 kA的分组和电连接串联。

整个储存环的操作安全取决于球队,都使得连接工作,根据特定的程序和重点作出了严格的质量保证程序,用于保证毫不妥协的高品质要求得到满足不断的自觉性。

尽管引人注目的工业质量控制程序,在设计,施工于工业,这款复合机在欧洲核子研究中心的建设和调试,但发现,在一些特殊领域,自年初以来获得的大量经验的可靠性也取决于遵守了。然而,粒子加速器是唯一的安装与几个已知的安全漏洞,因为他们坚持一个原型,必须监视的同类。 3个区域内的超导磁体的主环(图4)之间的连接区被确定,需要周期性的非侵入性检查,以确保操作的安全性。

图4:一个打开的连接区之间的超导磁体和三个感兴趣的领域,需要进行周期性的非侵入性检查

磁铁之间的电连接

在每个连接区6包括在磁体之间的电连接元件。每根电缆或各电缆被支撑在一个专门设计的连接器壳体。这是一起使用3条纹锡/银焊料在焊接过程中可靠地,准确地连接,两根电缆连接在一起,如在图5中示出。

图5:连接房屋及其组件

在被监视的压力,确保了良好的组成部件之间的接触,施加垂直于预连接是电感性的,迅速地加热到预定的温度,与焊料与突出部的线束连接,这些对冲。严格的公差的各个组成部分的连接器外壳和保持熔融的焊料的连接架内的毛细作用被冷却至低于凝固温度。热电联产,压力和温度的化合物的档案进行监测和记录,可随着时间的推移,仅当所有的数据都在正常范围内,焊接后的连接的电感的焊接机,作为标准的质量保证程序的一部分接受。主要的焊接参数进行监测,并任何超出正常框架的偏差导致焊接过程中的自动中断的情况下触发报警。的焊盘的机械强度会受到严重影响,如果在焊接过程中焊料合金的添加,缺失或不足。虽然严格的系统控制调节焊接过程中,由于没有(操作错误引起)或锡/银焊料缺乏连接房屋无处可靠的检测。在图6秀低倍交叉部分的照片(一)含有一个足够量焊料和(二)一个连接器壳体这是或者明显扭曲或包含合金的不足量,其中的组件之间的间隙是不完全由于毛细管的一个连接器壳体被起诉。合金此外,导致一个未被发现的,机械的弱点或不正确的电气连接的焊接连接可能缺乏导致应用X-射线断层扫描作为一个额外的质量控制方法。

接触,在确保连续性的光束线

这是极为重要的,通过喷嘴的电流,循环束中的粒子,得到所有连接区域,保持电气缺陷可能导致不稳定性的带电束粒子的流通。在制备的化合物2的元素是如此所谓的插件模块(PIM)(图7)中被插入,在喷射。作为一个桥梁之间的磁铁和喷嘴的连续性,以确保这些个人信息管理是一个完整的环的镀金射频接触指的安全。

镀金接触手指的插入式模块射频

该插件模块,就像所有的其他桥接结区组件,被设计为50毫米的顺序,补偿热收缩,在由冷却下来从室温至1.9Ķ并在随机再加热至室温LHC主环磁铁引起的。的PIM延伸的磁铁的冷却过程中,弹性接触的手指被拉伸,因为它们能够滑动,下火车。而升温时,发生相反的情况下​​,保持PIM被缩短,并且通过压缩的影响的滑动接触的手指,这可能导致错误的变形。这已经被发现,形式不正确产生的耐受性,超过磁体之间的距离,在每一种情况下的一个数毫米的接触手指的组合,可能会导致一个变形接触的手指,这可以阻止粒子束管,如果在连接​​区域的工作温度,以到60 K和升温。当部件的加速器的加热部分是必要的,X射线断层扫描中使用的各接合区的PIM的温热完整性检测。

寒冷的二极管系统的纯度

的主要LHC磁铁均在同行业中,工业的限制范围内的所有可能的已采取预防措施,以确保通过整个生产的纯度。下面的左手端的每一个主超导环形磁铁的外壳(见图2和图4),它包含二极管和相关联的电导体,允许整个磁铁供电偏转,如果是正常从其超导导电国家应继续进行。最初冷却至室温,这些磁铁,它们被从一个移动到另一端的快速流动的冷氦气。每个存款,尽管里面的磁铁采取的预防措施,但在安装过程中,将朝着二极管端面在最初的冷却过程中,积累二极管系统中的最低点。在罕见的情况下,累积的存款,有时也可以是金属的,会降低二极管的绝缘电阻为零。如果怀疑出现关于他们的电气功能,二极管系统都包括在内,特别是在通常的存款积累与X-射线断层扫描图像。

X射线断层扫描RayScan移动

在代表CERN的RayScan的技术公司已经推出了一个移动式X射线计算机断层扫描系统(CT)的开发是为了执行检查任务描述中存在的大型强子对撞机隧道内狭小的空间条件。的RayScan移动LHC的磁铁之间的主环的结区在其操作位置在图8中所示。

移动X射线断层扫描RayScan在大型强子对撞机

辐射防护概念

首先,控制区周围的连接被定义过测试区的辐射防护的目的。此防区安全光幕,定位在100米距离内前后移动RayScan。这些光幕打开中断的X射线管。 CT系统远程操作控制区,位于外通过移动工作站。

详情RayScan移动

由于移动RayScan设计,以便它可以由牵引车拉用电动LHC的隧道,这是常用的CERN。为了确保这一点,和周围的连接区域,在每一种情况下进行测试的最终手动定位的外部尺寸要保持尽可能的低。这导致的总宽度(1.0米)的总高度(2.3米)的限制。在这些限制的尺寸,使得有必要调整高压电缆和壳体的平板检测器。此外,驱动马达的轴以及发电机和冷却单元的X射线管被特别修改。 LHC环交界区的后面和下面的自由空间是非常有限的。因此,是不可能使用传统的3D-CT概念[2,3]。相反,该​​系统是基于在早期的发展RayScan团队已经成功地应用在汽车和航空航天等行业[4,5]构建。最后,我们有一个系统和算法开发的一个非常有限的范围角度为三维CT容积ofinterest的。图像的重构的基础上的“过滤的移位,并添加”算法。由于非常有限的情况导致了极其不对称的预测,这是一个新的重建算法,并考虑到所有可用的信息,要适应新的扫描方法,并实施。重建多个核心PC“优化为一体,以使可以执行重建与扫描,同时闭合。
该系统RayScan配备225KV小型移动焦点的X射线管和检测器具有400 x 400毫米和2048×2048像素,像素尺寸为200微米。球管和探测器被安装在一台4轴的操纵器的翻译,线性和旋转运动的系统,该系统允许。源的最大行程为1.8米,而运动检测器被限制至1.2米。这两个组件可以是大约±45°倾斜。因此,允许该系统的运动学,三维的感兴趣体积与虚拟的旋转中心CT完全适用的交界区域内的组件进行测试。除了3D扫描代表RayScan的的移动实时无线电复制模式。这首先用于执行快速检查,以便得到一个初步的印象整个国家的连接区及其组件。透视模式,同时还提供在线指导检查卷的定义和选择,由三维CT容积ofinterest的随后检查。

结果

我们探讨了三个方面进行审查,特别是在一个典型的交界处的大型强子对撞机在真空条件下,冷却操作条件。调查的部件的精度可以是对该区域中的清晰显示。里面的射频的插件模块已被清楚地确定的镀金的接触指的正确的位置和形状,如图所示的图片第九

插件式模块,上铺3D显示(左)和二维切片三维体积(右)

在左侧,一些射频接触指示。在图9中表示虚拟的横截面的插头模块(PIM)(沿红线的左图像)的合适的图片。从这些数据可以清楚地确定,所有接触的手指(参见图7)内的扫描体积的一部分,位于完美的圆上排列。三维6磁体之间的电气连接,核实某些结果示于图10和图11。

2D层重建的三维体积。这一层是共面的上表面上的铜电缆连接器壳体上的配置文件(请参阅图5)。我们看到的电缆接线盒的上表面的左端,在这种微小的缺陷已经引起了本地未填充的纵向的电缆之间的间隙在焊接过程中的元素。图11示出了二维层重建的3D体积,这是设在电缆连接器壳体的左端。这一层是几毫米之间的过渡点已被焊接在一起(见图5)的两个超导电缆。因此,我们看到了网络的超导电缆和水平两者之间的电缆填充焊料的一些小错误。
要检查的适用性移动RayScan的检测有缺陷的零部件,作出一个确切的复制品,它代表在所有领域的连接区域,并配有故障设备。以这种方式建模的任何错误,也被发现。

显示了无线电LHC冷的二极管系统,其安装在该复制品与包含在罕见的情况下,可能会导致短路的颗粒图像的副本。金属矿石,一个小的积累,一个球和一个小气缸(每个直径为4 mm)是清晰可见的(请参阅图12中的标记物)。

展望

X射线断层扫描RayScan移动已经证明了其价值作为一种诊断工具,,沿着各种互补性监测工具在大型强子对撞机将接替他的位置。这是特别重要的的LHC监测队的,因为它是唯一的诊断工具,可以创建LHC加速器,加速器而关闭,在真空下冷却至工作温度下可以使用的一些内部部件的图像和照片。
已优化虽然RayScan移动大型强子对撞机的要求,它的结构是模块化的,这样它可能有轻微的修改,研究各种其他固定物体,如可采用管道,翅膀,雕像或列。

书目

[1] LHC设计报告,卷1“LHC主环”,欧洲核子研究中心2004年6月ISBN 92-9083-224-0。
[2]锥束CT的质量控制和快速的产品开发,C.索尔温·西蒙(洞察第42卷第10号2000年10月)
[3]多用途三维计算机断层扫描系统,Sauerwein等。 (巴塞罗那,非破坏性测试ECNDT,西班牙,第8届欧洲会议6月17日至21日,2002年)
[4]扩展三维CT大型部件的检查方法,Sauerwein等。 (16H世界会议无损检测WCNDT上,8月30日2004年9月3日)
[5]表征的一种新的多扫描层析X射线摄影系统,Sauerwein等汽车零部件。 (第四届国际新兴技术在非破坏性检测,斯图加特,德国,2007年4月2日至4日)


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