Alto baleiro

Achegándonos ao LHC

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, ou tamén Oswald Gröbner, for the LHC Vacuum Group  e  VACUUM SYSTEM CHAPTER 12 en LHC Design Report Volume I.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO |

···