Achegándonos ao LHC

INICIO CERN LHC FÍSICA NO LHC DETECTORES MODELO ESTÁNDAR EDUCACIÓN LIGAZÓNS NOVAS E MÁIS GLOSARIO

NOVAS: Siga as novas...

 ALTO BALEIRO
 


A existencia do baleiro nos aceleradores de partículas ten a súa razón de ser na absoluta necesidade de limitar as interaccións (elásticas ou inelásticas) entre as partículas do feixe, e os átomos ou moléculas do baleiro residual. Estas interaccións provocan unha dispersión do feixe e perda de enerxía nas partículas  (protóns no LHC), provocnando a limitación do funcionamento do acelerador e o deterioro de seu rendemento.

Por outra parte, é vital que nas zonas de interacción o baleiro sexa o máis alto posible, pois debemos lograr o máis baixo "ruido de fondo" nos detectores producido polas colisións 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 .

Estamos a falar de ULTRA-ALTO-BALEIRO, chegándose a unha presión unhas cen veces menor que na superficie da Lúa. É o lugar máis vacío do Sistema Solar.


O volume para ser baleirado en cada un dos tubos por los que circulan os protóns (beam pipes) no LHC  (lonxitude  27 km ,,  r ~ 3 cm) é:

2 × (27·103 × π × 0.032) ~ 150 m3

Como baleirar totalmente o volume dunha vivenda de 60 m2.

Pero o maior volume onde se aplica o vacío no LHC é o illamento do  sistema criomagnético (~ 9000 m3 — como baleirar a nave central dunha catedral!)


O baleiro do LHC está composto por 54 km de vacío ultra baixo, polo que circulan os dous feixes e 50 km de vacío de illamento arredor dos imáns crioxénicos e nas líñas de transporte do líquido crioxénico (helio). Os requisitos para o vacío destes dous sistemas son radicalmente diferentes.

O baleiro para o feixe de partículas

As esixencias do vacío residual do LHC son moi superiores ás dun acelerador lineal, moitas horas de funcionamento no canto dun poucos segundos.

Para garantir tal duración de vida faise preciso, como xa se ten indicado, traballar con presións inferiores a 10-9 Pa (10–14 atm) ¡100 billóns de veces máis baixa que a presión atmosférica! limitando, asemade, o ruido de fondo nos detectores do LHC inducido pola dispersión do deixe por colisións co gas residual.

Esta presión é unhas dez veces menor que a existente na Lúa.

O cúmulo de esixencias (nivel de presión, efectos dinámicos e inxeñería) para as cámaras de vacío do deixe, conducíu ao deseño dun sistema de vacío totalmente diferente nas seccións dos arcos do LHC á temperatura crioxénica de 1.9 K e as secciones rectas á temperatura ambiente. Dos 54 km de vacío ultra baixo para o deixe, 48 km están a unha temperatura crioxénica xa que as cámaras de vacío son parte integrante dos imáns superconductores. Os restantes 6 km de vacío, están a temperatura ambiente.

Por primeira vez nun acelerador operando a unha temperatura crioxénica, utilizouse unha pantalla térmica intermediaria ("beam scream") na cámara de vacío para o feixe de partículas. Esa pantalla, que opera entre 5 e 20 K, ten como principal dedicación a intercepción das cargas térmicas inducidas polo feixe: luz sincrotrónica, pérdidas de partículas, resistencia eléctrica á correntes creadas á imaxe do feixe, efectos dinámicos por electróns e ions, etc.

 

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

Tamén debe soportar o alto nivel de radiacións, evitar foertes transicións xeométricas que xeran ondas de radiofrecuencia estacionarias (> 2 GHz) que perturban o deixe e optimizar a duración de vida do feixe, é dicir, axudar a manter ultra baixas presións.

 A pantalla térmica está perforada para permitir o paso do gas liberado pola desorción estimulada (pérdidas de feixe, electróns, fotóns e ions) ás paredes máis frías dos imáns (1.9 K) onde queda atrapado.



O baleiro de illamento térmico

O baleiro de illamento térmico dos imáns e das líiñas de transporte do líquido crioxénico (helio) permite reducir as perdas térmicas por condución. Este vacío complementa  o uso de 9 millóns de metros cadrados de material de illamento multi-capas que limita a radiación térmica, material instalado sobre a superficie exterior da masa fría do imán superconductor

Aínda que as esixencias de presión son máis baixas (10-1 Pa ó 10 -3 mbar), ese sistema é técnicamente complexo e impresionante:

50 km e ata 1 m de diámetro para un volume total de 15000 m3. A ensamblaxe precisou de máis de 250000 soldaduras, 90000 feitas directamente no túnel, que representan unha lonxitude de 100 km e que se engaden ás 18000 xuntas de elastómero que representan unha lonxitud total de 22 km. Con tantos ensamblaxes, soldaduras e xuntas, a estanqueidade do vacío, ten representado un desafío constante, xa que son imprescindibles niveis de estanqueidade inferiores a 10-11 Pa·m3 /s.

Para formarse unha idea gráfica do alto grado de estanqueidade acadado, un pneumático de coche cunha fuga de tamaño equivalente, necesitaría máis de tres millóns de anos para se desinflar!

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

 


In an accelerator, particles circulate in a vacuum, and the LHC has the particularity of having not one, but three vacuum systems:

- insulation vacuum for cryomagnets

- insulation vacuum for the helium distribution line

- beam vacuum

The beam vacuum pressure will be lower than 10–14 atm (ultrahigh vacuum), because we want to avoid collisions with gas molecules.

The pressure in the beam pipes of the LHC will be about one hundred times lower than on the Moon. It is the emptiest space in the Solar System.


Let’s consider the importance of such a ultrahigh vacuum. Since each bunch of protons has 1 mm2 section, let’s calculate the number of molecules/mm3 in the beam pipes.

As we know, the temperature inside the beam pipe is 1.9 K. This temperature is below the temperature at which all gases liquefy. However just because it is below the boiling point of a gas doesn't mean that no gas particles can exist at this temperature. So, just with didactic aims we will use the next aproximation:

P = 10–9 Pa ,, V = 10-9  m3   ,,  T = 1.9 K  ,,  R = 8,21 J/mol·K

Using    P·V = n·R·T  we have n ~ 6.4·10–20 mol

So, the result is:  (6.4·10–20) x (6·1023) ~ 4· 104 molecules/mm3

Taking into account the bunch size (75 mm length and section 1 mm2), the number of protons/mm3 is:

(1011 protons) / (75 x 1 mm2) ~ 109 protons/mm3

We can now compare these two quantities per mm3 and we will understand how important is to get an ultrahigh vacuum to avoid collisions between protons and gas molecules.

The volume to be pumped in the LHC beam pipes (length  27 km ,,  r ~ 3 cm) is:

2 × (27·103 × p × 0.032) ~ 150 m3

Like pumping down completely a 60 m2 appartment.

But the largest volume to be pumped in the LHC is the insulation vacuum for the cryomagnets (~ 9000 m3 — like pumping down the central nave of a cathedral!)


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO | Deseño orixinal de Gabriel Morales Rey