Acercándonos al LHC

INICIO CERN LHC FÍSICA EN EL LHC DETECTORES MODELO ESTÁNDAR EDUCACIÓN ENLACES NOTICIAS Y MÁS GLOSARIO

NOTICIAS: Siga las noticias.

 ALTO VACÍO
 


La existencia del vacío en los aceleradores de partículas tiene su razón de ser en la absoluta necesidad de limitar las interacciones (elásticas o inelásticas) entre las partículas del haz, y los átomos o moléculas del vacío residual. Estas interacciones provocan una dispersión del haz y pérdida de energía en las partículas (protones en el LHC) lo que provoca la limitación del funcionamiento del acelerador y el deterioro de su rendimiento.

Por otra parte, es vital que en las zonas de interacción el vacío sea lo más alto posible, pues debemos lograr el más bajo "ruido de fondo" en los detectores producido por las colisiones protón-gas.

 

Nos sectores circulares do LHC - zonas crioxénicas- a presión é do orde de 10–7 Pa, mentres que nas zonas de colisión a presión é aínda máis baixa ~ 10-9 Pa.

Hablamos de ULTRA-ALTO-VACIO, llegándose a una presión unas cien veces menor que en la superficie de la Luna. Es el lugar más vacío del Sistema Solar.


El volumen a ser vaciado en uno de los tubos por los que circulan los protones (beam pipes) en el LHC  (longitude  27 km ,,  r ~ 3 cm) es:

2 × (27·103 × π × 0.032) ~ 150 m3

Como vaciar totalmente el volumen de una vivienda de 60 m2.

Pero el mayor volumen donde se aplica el vacío en el LHC es el asilamiento del  sistema criomagnético (~ 9000 m3 — como vaciar la nave central de una catedral!)


O baleiro

El vacío del LHC está compuesto por 54 km de vacío ultra bajo, por donde circulan los dos haces y 50 km de vacío de aislamiento alrededor de los imanes criogénicos y en las líneas de transporte del líquido criogénico (helio). Los requisitos para el vacío de estos dos sistemas son radicalmente diferentes.

El vacío para el haz de partículas

Las exigencias del vacío residual del LHC son muy superiores a las de un acelerador lineal, muchas horas de funcionamiento en vez de unos cuantos segundos.

Para garantizar tal duración de vida se hace preciso, como ya hemos indicado, trabajar con presiones inferiores a 10-9 Pa (10–14 atm) ¡100 billones de veces más baja que la presión atmosférica! limitando, así mismo, el ruido de fondo en los detectores del LHC inducido por la dispersión del haz por colisiones con el gas residual.

Esta presión es unas diez veces menor que la existente en la Luna.

El cúmulo de exigencias (nivel de presión, efectos dinámicos e ingeniería) para las cámaras de vacío del haz, condujo al diseño de un sistema de vacío totalmente diferente en las secciones de los arcos del LHC a la temperatura criogénica de 1.9 K y las secciones rectas a la temperatura ambiente. De los 54 km de vacío ultra bajo para el haz, 48 km están a una temperatura criogénica ya que las cámaras de vacío son parte integrante de los imanes superconductores. Los restantes 6 km de vacío, están a temperatura ambiente.

Por primera vez en un acelerador operando a una temperatura criogénica, se utilizó una pantalla térmica intermediaria ("beam scream") en la cámara de vacío para el haz de partículas. Esa pantalla, que opera entre 5 y 20 K, tiene como principal dedicación la intercepción de las cargas térmicas inducidas por el haz: luz sincrotrónica, pérdidas de partículas, resistencia eléctrica a la corriente de imagen del haz, efectos dinámicos por electrones e iones, etc.

 

(Tomado de Jiménez y Carbajal en Revista Española de Física)

También debe soportar el alto nivel de radiaciones, evitar fuertes transiciones geométricas que generan ondas de radiofrecuencia estacionarias (> 2 GHz) que perturban el haz y optimizar la duración de vida del haz, es decir, ayudar a mantener ultra bajas presiones.

La pantalla térmica está perforada para permitir el paso del gas liberado por la desorción estimulada (pérdidas del haz, electrones, fotones y iones) a las paredes más frías de los imanes (1.9 K) donde queda atrapado.


 

El vacío de aislamiento térmico

El vacío de aislamiento térmico de los imanes y de las líneas de transporte del líquido criogénico (helio) permite reducir las pérdidas térmicas por conducción. Este vacío complementa el uso de 9 millones de metros cuadrados de material de aislamiento multi-capas que limita la radiación térmica, material instalado sobre la superficie exterior de la masa fría del imán superconductor

Aunque las exigencias de presión son más bajas (10-1 Pa ó 10 -3 mbar), ese sistema es técnicamente complejo e impresionante:

50 km y hasta 1 m de diámetro para un volumen total de 15000 m3. El ensamblaje ha necesitado más de 250000 soldaduras, 90000 hechas directamente en el túnel, que representan una longitud de 100 km y que se añaden a las 18000 juntas de elastómero que representan una longitud total de 22 km. Con tantos ensamblajes, soldaduras y juntas, la estanqueidad del vacío, ha representado un desafío constante, ya que son imprescindibles niveles de estanqueidad inferiores a 10-11 Pa·m3 /s.

Para formarse una idea gráfica del alto grado de estanqueidad alcanzado, un neumático de coche con una fuga de tamaño equivalente, necesitaría más de tres millones de años para desinflarse!

Para más detalles ver artículo de Jiménez y Carbajal en Revista Española de Física.


 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) | Diseño original de Gabriel Morales Rey