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. Interacciones que provocan una dispersión del haz que es responsable de la
limitación del funcionamiento de los aceleradores y del deterioro de su rendimiento. Vamos a verla importancia de conseguir el vacío mas alto posible.
Para ello consideramos el valor de la presión diseñado para los tubos del haz: P = 10–9Pa.
Estamos hablando de presión unas cien veces menor que en la superficie da Lúa.Es el lugar más vacío del Sistema Solar.
Dado que los paquetes de protones tienen una sección de 1 mm2(lejos de las zonas de colisión) calculemos el
número de moléculas/mm3en el tubo por donde circula el haz.
En el interior del tubo por donde circula el haz de protones la temperatura es 1.9 K (en los ocho arcos donde están situados los dipolos magnéticos). A esa temperatura todos los gases están licuados, pero esto no significa que no haya gases dentro del tubo. Con propósito únicamente didáctico vamos utilizar la siguiente aproximación:
El LHC no es una circunferencia perfecta. Consiste en ocho arcos de 2.45 km donde están os dipolos superconductores (T = 1.9 K) y ocho secciones rectas de 545 m a temperatura ambiente. No interior do tubo a 1.9 K todos os gases están licuados. Aún que esto no significa que non haya algunas moléculas de gases dentro del tubo, centraremos nuestro cálculo en las secciones rectas a temperatura ambiente. Solamente con propósito didáctico vamos a utilizar la seguinte aproximación:
P = 10–9Pa ,, V = 10-9m3 ,, T = 293 K ,, R = 8,21 J/mol·K
Usando P·V = n·R·T tenemos n ~ 4·10–22moles
Por tanto, el resultado buscado es: (4·10–22) x (6·1023) ~ 250 moléculas/mm3 Tomando en cuenta las
dimensiones de los paquetes (75 mm largo e 1 mm2 de sección) y el número de protones en su interior
tendremos:
(1011protones) / (75 x 1 mm2) ~ 109protones/mm3
Podemos ahora comparar las dos cantidades obtenidos y entenderemos cuan importante es conseguir el
más alto vacío posible.
El volumen a ser vaciado en uno de los tubos por los que circulan los protones (beam pipes) en el LHC (longitud de 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.
Peroel 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!)
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 10-9Pa (10–14atm) ¡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.
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 deserción 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 10-11Pa·m3/s.
Para formarse una idea gráfica del alto grado de estanqueidad alcanzado, un neumático de coche con