El CERN, el LHC y el sistema de acceso del LHC

Transcripción

1 El CERN, el LHC y el sistema de acceso del LHC Miriam Muñoz Codoceo. Ingeniero Industrial del ICAI, promoción del Ingeniero asociado al proyecto del Sistema de Acceso del LHC y responsable de hardware del Sistema de Seguridad de Acceso del LHC. Durante las últimas décadas, los físicos han descrito en detalle las partículas fundamentales que componen el universo, así como las interacciones entre ellas. Estos conocimientos quedan englobados en el modelo estándar de la física de partículas, que todavía no alcanza a ser una teoría completa. El LHC, acelerador de partículas del CERN, es el siguiente paso para obtener datos experimentales que permitirán completar la teoría estándar. El LHC está en su fase final de construcción y puesta en marcha, y entrará en funcionamiento en el El LHC se convertirá en el acelerador más grande (27 km de circunferencia) y de mayor energía del mundo. Comentarios a: comentarios@icai.es Introducción al CERN El Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN), situado en Suiza, es el mayor laboratorio de partículas del mundo. Se fundó en 1954 como una de las primeras colaboraciones entre los países Europeos. En la actualidad colaboran en los distintos programas experimentales del CERN más de físicos, científicos e ingenieros. El CERN estudia las características y las interacciones de las partículas elementales del universo. Los aceleradores de partículas permiten analizar las partículas elementales gracias a los altos niveles de energía que pueden conseguirse en ellos. Los aceleradores circulares pueden trabajar en dos modos: modo acelerador y modo colisionador. En el modo acelerador hay dos haces de partículas que circulan en sentidos opuestos bajo el efecto acelerador del campo eléctrico y del campo magnético. Una vez que las partículas han alcanzado el nivel deseado de energía pueden enviarse a una fase aceleradora final o desviarse de modo que colisionen contra diversos objetivos. Si se obliga a las partículas a colisionar dentro del propio acelerador, el acelerador 60 anales de mecánica y electricidad / marzo-abril 2008

2 trabaja en modo colisionador. En este caso se estabilizan los haces de partículas dentro del acelerador y las colisiones tienen lugar en uno o en varios puntos en los que están situados los detectores. La interacción entre partículas a tales velocidades generará gran cantidad de energía que se transformará en nuevas partículas (E = mc 2 ). En el CERN hay 10 aceleradores, fundamentalmente circulares, que pueden trabajar con electrones, positrones, protones, antiprotones e iones pesados. Los 3 aceleradores principales son el Sincrotrón de Protones (Protón-Synchrotron-PS), el Supersincrotrón de Protones (Súper Protón Synchrotron-SPS) y el desaparecido hoy en día Gran Colisionador Electrón-Positrón (Large Electrón Positrón Collider- LEP) (ver Figura 2). El PS tiene 200 m de diámetro y empezó a funcionar en Puede acelerar partículas hasta niveles de energía de 28 GeV. Actualmente, las partículas extraídas de este acelerador pueden inyectarse en el SPS o enviarse al AD donde se producen antiprotones. En el SPS pueden acelerarse partículas hasta niveles de energía de 450 GeV. Es un acelerador subterráneo de 6 km de circunferencia que está operativo desde En el LEP, terminado en 1989, se lograron energías de 200 GeV. Se dirigían electrones y protones en sentidos opuestos, a 100 m bajo la superficie y que colisionaban en cuatro puntos específicos. El LEP se cerró definitivamente en el año 2000 para poder construir un acelerador de partículas más potente, el Gran Colisionador de Hadrones o LHC (Large Hadron Collider). Introducción al LHC Cuando comience su funcionamiento en 2008, el LHC será el acelerador de partículas más potente del mundo. Se harán colisionar protones de alta energía en dos haces contrarrotativos (14 TeV) a la búsqueda de marcas características de súper simetría, materia oscura y los orígenes de la masa. Los haces están constituidos por grupos que contienen billones de protones.viajando muy poco por debajo de la velocidad de la luz, serán inyectados y acelerados y se mantendrán circulando durante horas guiados por miles de potentes imanes superconductores. En la mayor parte del anillo los haces viajan por dos tubos de vacío separados, pero colisionan en cuatro puntos situados en el corazón de los experimentos principales, conocidos por sus acrónimos:, (ver Figura 3), y LHCb. Los detectores de los experimentos observarán cuidadosamente cómo se transforman en distintas partículas la energía de los protones que colisionen. Los detectores pueden detectar hasta 600 millones de sucesos de colisión por segundo, examinándose meticulosamente los datos en los experimentos a la búsqueda de señales de sucesos sumamente raros, tales como la creación del bosón de Higgs. Figura 1. Situación geográfica del CERN y del LHC LHC: Large Hadron Colider SPS: Super Proton Synchrotron AD:Antiproton Decelerator ISOLDE: Isotope Separator Online DEvide PSB: Proton Syncroton LINAC: LINear ACcelerator LEIR: Low Energy Ion Ring CNGS: Cern Neutrinos to Gran Sasso Figura 2. Principales aceleradores del CERN West Area North Area LHC Protons antiprotons Ions Neutrinos to Gran Sasso (I) AD P SPS PSB Linac2 Isolde Linac3 Pb ions Start the protons out here Compass Leir CNGS PS East Area Gran Sasso (1) 730 km c by here LHC-b 0,87c by here 0,3c by here El CERN, el LHC y el sistema de acceso del LHC 61

3 Ginebra Punto 5 LHC - B Punto 8 LHC - B TI 8 SPS CERN Punto 1 Figura 3. Experimento Figura 4. El LHC y sus principales detectores:,, y LHC-b TI 2 LEP/LHC Punto 2 El LHC se encuentra principalmente en territorio francés y una pequeña parte en tierras suizas.tiene 27 km de circunferencia y está a unos 100 m bajo tierra (ver Figura 4). Introducción al Sistema de Acceso del LHC El Sistema de Acceso del LHC lo componen dos sistemas independientes, pero complementarios, dedicados a la protección del personal de los locales subterráneos del LHC, también llamados áreas interlocked del LHC. Estos dos sistemas son: el Sistema de Seguridad de Acceso del LHC y el Sistema de Control de Acceso del LHC. El Sistema de Acceso del LHC El complejo del LHC está dividido en varias áreas con distintos niveles de control de acceso. Las áreas interlocked del LHC son las únicas en las que el acceso está restringido y éste no se permite durante el funcionamiento de los haces de protones o las pruebas de los equipos. Dentro de las áreas interlocked la protección personal está asegurada por el Sistema de Acceso del LHC. El sistema consta de dos partes: el Sistema de Seguridad de Acceso del LHC (LHC Access Safety System-LASS) y el Sistema de Control de Acceso del LHC (LHC Access Control System-LACS). Durante el funcionamiento de la máquina, el Sistema de Seguridad de Acceso del LHC asegura la protección colectiva del personal, contra los peligros de radiación originados por el funcionamiento del acelerador, activando los elementos clave de seguridad del LHC. Cuando los haces están apagados, el Sistema de Control de Acceso del LHC regula el acceso al acelerador y a sus múltiples subsistemas y permite el funcionamiento remoto, local o automático de los equipos de control de acceso, los cuales controlan e identifican a todos los usuarios que entran en las áreas controladas. Sistema de Control de Acceso del LHC (LACS) Especificación El Sistema de Control de Acceso del LHC permite el funcionamiento remoto, local o automático de los equipos de acceso encargados de comprobar las autorizaciones de acceso de los usuarios, desbloquear los equipos de acceso y restringir el número de usuarios que trabajen simultáneamente en las áreas interlock. Esta restricción asegura la rápida puesta en marcha del acelerador después de una parada (evacuando rápidamente los locales subterráneos). Tecnología El sistema está basado en un sistema industrial que proporciona todas las funcionalidades estándares de control de accesos: control remoto, integración de audio y vídeo, tarjetas de proximidad, sistema de gestión de autorizaciones, gestión de accesos a sectores. 62 anales de mecánica y electricidad / marzo-abril 2008

4 Figura 5.Arquitectura del Sistema de Acceso del LHC Capa de Control Remoto CERN Control Rooms Layer Capa de Control Local Seguridad de acceso del LHC Control de acceso del LHC Capa de Equipos Equipos de interbloqueo y seguridad Equipos de control de acceso Se usan dispositivos lectores de proximidad integrados en el dosímetro operativo que es obligatorio para acceder a las áreas subterráneas del LHC. Para asegurarse de que la persona que pide la entrada es la misma persona que entra en el acelerador, se utiliza un reconocimiento biométrico del iris como identificación adicional. Se usarán puertas dobles bloqueadas como dispositivos de acceso para el personal y los materiales. Sistema de Seguridad del LHC (LASS) Especificación El Sistema de Seguridad de Acceso del LHC asegurará la protección colectiva del personal contra los peligros radiológicos originados durante el funcionamiento, el mantenimiento y las pruebas en el acelerador del LHC. El diseño del sistema ha sido revisado y validado por las autoridades nucleares francesas. Activando los elementos clave de seguridad del LHC, el sistema permite el acceso del personal autorizado a los locales subterráneos durante las paradas del acelerador y niega el acceso durante el funcionamiento del acelerador; el sistema detiene el acelerador en caso de intrusión o activación de algún interruptor de parada de emergencia. El Sistema de Seguridad de Acceso del LHC proporciona los siguientes modos de funcionamiento: acceso a las áreas de servicio, acceso a las áreas del haz de partículas, acceso durante las pruebas de los equipos, haz y seguridad del sistema. En cualquiera de los modos acceso el sistema impedirá el suministro de energía a equipos peligrosos, y a la inyección de los haces y su circulación en el LHC. Para acceder a las áreas del haz se debe acceder a las áreas de servicio primero; en ellas una gran parte de los equipos quedan alimentados. En el modo acceso durante las pruebas de los equipos se pondrán fuera de servicio algunas de las condiciones de interlocked del sistema para permitir la ejecución de las pruebas. Este modo de funcionamiento se aplica en el punto 4 del acelerador donde las cavidades de RF acelerarán las partículas. En el modo de haz, el sistema bloqueará todo acceso al LHC. En caso de que algún acceso sea violado o se active algún inte- El CERN, el LHC y el sistema de acceso del LHC 63

5 rruptor de parada de emergencia, el LASS parará la circulación de las partículas e impedirá la inyección de nuevas al interior del acelerador. El modo seguridad del sistema es un modo de interrupción del servicio que tratará una parada grave del sistema y asegurará permanentemente la protección del personal. Tecnología El Sistema de Acceso del LHC emplea hardware especialmente diseñado para aplicaciones de seguridad y gran fiabilidad. Las señales de los equipos se captan con cableado redundante y son tratadas por dispositivos remotos de adquisición. Estos dispositivos se comunican con PLC redundantes de seguridad, situados localmente en cada punto del LHC, utilizando un protocolo concebido especialmente según las necesidades de seguridad.todos los PLC locales se comunican entre ellos por una red cerrada de fibra óptica. Los PLC redundantes de seguridad concentran los datos y envían comandos en función del modo de funcionamiento del acelerador que se haya fijado en el pupitre de control de acceso situado en la sala de control del CERN. Arquitectura Los sistemas de Control de Acceso del LHC y de Seguridad de Acceso del LHC son sistemas separados, pero complementarios, que están integrados en un concepto común. Como se muestra en la Figura 5, el Sistema de Acceso del LHC está dividido conceptualmente en cuatro capas: La capa de Salas de Control consta de la interfaz que permitirá el funcionamiento y la supervisión de los sistemas de acceso del LHC, las interfaces externas del sistema de alarmas, los sistemas de monitorización de las salas de control de los experimentos y de las salas de vigilancia, además de los pupitres de distribución de tarjetas de acceso y dosímetros. La capa de Control Remoto de Acceso reúne los servidores centrales, la base de datos de autorizaciones y archivo, los controladores de audio y vídeo, los terminales de mantenimiento y configuración, y el sistema de gestión de los interlocks de seguridad de acceso. La capa de Control Local de Acceso, asegura el control de los equipos de acceso de cada punto del LHC y la gestión de las cadenas locales de seguridad. La capa de Equipos de Acceso, reúne todos los equipos de acceso y la interfaz con los elementos importantes de seguridad (Important Safety Elements ISE) de acceso, del haz y de la máquina. Conclusión Un sistema eficaz de acceso es un elemento clave del funcionamiento del acelerador; protegerá al personal durante las 24 horas de los 365 días del año y será sumamente seguro y fiable. Con respecto al sistema de Control de Acceso del LHC, el reto radicará en efectuar un proceso seguro de gran número de usuarios, además de su integración satisfactoria en el entorno del CERN. Por otra parte, en cuanto al sistema de Seguridad de Acceso del LHC, el proyecto tendrá que encontrar el equilibrio correcto entre seguridad, fiabilidad y coste del sistema. Reconocimientos Este artículo resume el trabajo del equipo del proyecto de acceso del LHC: S. Di Luca, S. Grau, L. Hammouti, J. F. Juget,T. Ladzinski, M. Muñoz, P. Ninin, E. Sánchez-Corral, F. Schmitt, L. Scibile, G. Smith y F.Valentini, según la especificación del propietario o responsable del producto G. Roy. 64 anales de mecánica y electricidad / marzo-abril 2008