Con la primera puesta en marcha de haces en 2008, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se convirtió en el mayor sistema de vacío operativo del mundo. Funciona a diversos niveles de presión y utiliza un impresionante conjunto de tecnologías de vacío.
Un sistema de vacío tres en uno
El LHC es inusual porque tiene tres sistemas de vacío separados: uno para las tuberías de los haces, otro para aislar los imanes refrigerados criogénicamente y otro para aislar la línea de distribución de helio.
Para evitar la colisión con las moléculas de gas dentro del acelerador, los haces de partículas en el LHC deben viajar en un vacío tan vacío como el espacio interestelar. En los crioimanes y en la línea de distribución de helio, el vacío tiene un propósito diferente. Aquí, actúa como aislante térmico, para reducir la cantidad de calor que se filtra desde el entorno a temperatura ambiente hasta las partes criogénicas que se mantienen a 1,9 K (-271,3°C).
El mayor sistema de vacío del mundo
Con un total de 104 kilómetros de tuberías al vacío, el sistema de vacío del LHC es uno de los mayores del mundo. El vacío aislante, equivalente a unos 10-6 mbar, está formado por unos impresionantes 50 km de tuberías, con un volumen combinado de 15.000 metros cúbicos, más que suficiente para llenar la nave de una catedral. La construcción de este sistema de vacío requirió más de 250.000 juntas soldadas y 18.000 sellos de vacío. Los 54 km restantes de tuberías en vacío son los tubos de los haces, por los que viajan los dos haces del LHC. La presión en estos tubos es del orden de 10-10 a 10-11 mbar, un vacío casi tan enrarecido como el que se encuentra en la superficie de la Luna. Los sistemas de vacío del LHC están equipados con 170 medidores de ionización Bayard-Alpert y 1084 medidores Pirani y Penning para controlar la presión de vacío.
Un vacío más fino que el vacío interestelar
Se necesita un vacío ultra alto para los tubos por los que viajan los haces de partículas. Esto incluye 48 km de secciones de arco, mantenidas a 1,9 K, y 6 km de secciones rectas, mantenidas a temperatura ambiente, donde se encuentran los sistemas de control del haz y las regiones de inserción para los experimentos.
En los arcos, el vacío ultra alto se mantiene mediante el bombeo criogénico de 9000 metros cúbicos de gas. Al enfriar los tubos del haz a temperaturas extremadamente bajas, los gases se condensan y se adhieren a las paredes del tubo del haz por adsorción. Se necesitan algo menos de dos semanas de bombeo para reducir las presiones por debajo de 1,013 × 10-10 mbar (o 10-13 atmósferas).
Dos importantes características de diseño mantienen el vacío ultra alto en las secciones a temperatura ambiente. En primer lugar, estas secciones hacen un uso generalizado de un «recubrimiento getter» no evaporable -desarrollado e industrializado en el CERN- que absorbe las moléculas residuales cuando se calienta. El recubrimiento consiste en un fino revestimiento de aleación de titanio, circonio y vanadio depositado en el interior de los tubos del haz. Actúa como un sistema de bombeo distribuido, eficaz para eliminar todos los gases excepto el metano y los gases nobles. Estos gases residuales son eliminados por las bombas de iones 780.
En segundo lugar, las secciones a temperatura ambiente permiten el «bakeout» de todos los componentes a 300°C. El bakeout es un procedimiento en el que las cámaras de vacío se calientan desde el exterior para mejorar la calidad del vacío. Esta operación debe realizarse a intervalos regulares para mantener el vacío a la baja presión deseada.
Aunque estas tecnologías se desarrollaron para la investigación fundamental, han encontrado usos cotidianos: la tecnología de ultravacío hizo posible una importante mejora en el rendimiento de los paneles de colectores solares térmicos, por ejemplo.