Baixas temperaturas

Achegándonos ao LHC

Os protóns son guiados no anel do acelerador mediante un poderoso campo magnético proporcionado por correntes superconductoras. Os cables operan á temperatura de 1,9 K (uns -271°C), unha temperatura máis fría que a do espazo exterior.

 

Por esta razón, o acelerador está conectado a un sistema de distribución de helio líquido, que enfría os dispositivos magnéticos así como outros servizos de apoio.

Os filamentos superconductores están feitos de Niobio-Titanio. O helio debe fluír constantemente para ser mantido a esa temperatura, extraéndose calquera calor aportada ao sistema.

12 millóns de litros de  nitróxeno líquidovaporízanse durante o enfriamento inicial de 31000 toneladas de material, e  posteriormente 5000 toneladas de heliolíquido serán necesarios para mantelo por debaixo de 2K.

Todo este helio supón a producción mundial deste gas nun ano.

 

LHC-Crioxenia

O proceso consiste en facer circular o nitróxeno líquido dentro do corpo do Dipolo co fin de que a temperatura descenda ata o 80 K (-193 ºC). A continuación achégase helio líquido para pasar dos 80 K a 4 K. Finalmente, diminuindo a presión do helio ata 15 milibares, xérase a caída aos 1,9 K


 

Co colisor dividido en 8 sectores delimitados polos seus sistemas de acceso, o mesmo número de unidades costitúen o sistema de refrixeración do LHC.

Para o LHC, dous sistemas de refrixeración de 12 kW a 4.5 K, utilizados no antigo LEP, foron mellorados ata unha capacidade de 18 kW, e dous equipamentos non estándar de 18 kW foron instalados. Gas helio é enfriado ata 80 K mediante 10000 toneladas de nitróxeno líquido en superficie (o nitróxeno líquido non se inxecta directamente no LHC para evitar un posible accidente con mortes por asfixia en caso de fuga no tunel). Pero esta baixada de temperatura constitúe a primeira fase.

Para garantir a correcto comportamento dos compoñentes do acelerador , o helio debe ser enfriado aínda máis. Así, o helium a 4,5 K inxéctase nos dipolos (que pasan tamén a seren chamados "cold masses"), hasta llenarlos por completo. Esta es la segunda fase del proceso de enfriamento.

En la tercera y derradeira fase as unidades de refrixeración levaran ao gas nobre ata os 1,9 K (-271,3ºC). Para conseguir isto, o vapor de presión sobre o baño de helio ten que ser reducido.

Para baixar ata os 15 mbars de presióncompresores volumétricos a temperatura ambiente son combinados con compresores centrífugos hidrodinámicos que funcionan a esas baixas temperaturas (Cold Compression System - CSS).

Cando o helio é enfriado a esa temperatura pasa a partir dos 2,17 K (–271,0 °C) a estado "superfluído", que entre outras notables propiedades ten a de posuir unha conductividade térmica alta, o que o fai ideal para sistemas de refrixeración moi grandes.

 

Distribuíndo o frío.

A potencia frigorífica é distribuída mediante a enorme liña crioxénica (QRL). Para achegar o helio a esas baixas temperaturas, primeiro é almacenado en cinco tanques de distribución (QUI), que constitúen cinco "illas crioxénicas" instaladas nos accesos do túnel. A liña crioxénica ten o mesmo deseño que o colisionador, polo que en realidade dentro do tunel van en paralelo a instalación de distribución do helio e a do colisionador.

 

Estamos pois a falar do sistema refrixerador máis grande do mundo, con 27 km de longo.


Supoñamos que non foran utilizados materias especialmente preparados para esas tan baixas temperaturas. Podemos calcular os cambios que se producirían na lonxitude do acelerador con ese arrefriamento.

Tomemos de media como coeficiente lineal de dilatación dun metal: α ≈ 10-5 K-1.

A lonxitude do dipolo é 14,343 m at 300 K, polo que cando a temperatura baixa a 1,9 K teremos:

ΔL=L0·α·ΔT      ΔL=14,343·10-5·(1,9 – 300)   ⇒    ΔL ≈ -0,043 m

Entón, a contracción é de máis de 4 cm, e tendo en conta que hai 1232 dipolos:

ΔLT  ≈ 1232·(-0,043 ) ≈ - 53 m (!)


Tomando en consideración todos os sistemas multipolares magnéticos e resto de dispositivos sometidos a esas baixas temperaturas, a contracción total en todo o LHC está preto dos 80 m !

Naturalmente, os materiais utilizados no LHC deben posuír un moi controlado comportamento a baixas temperaturas para evitar problemas de funcionamento e erros de calibración. Non obstante, non é posible evitar estas contraccións totalmente, polo que foron tomadas moi en conta polos enxeñeiros que deseñaron toda a instalación e a ensamblaxe da mesma.

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 |

···