Med den første opstart af stråler i 2008 blev Large Hadron Collider (LHC) det største operationelle vakuumsystem i verden. Det fungerer ved forskellige trykniveauer og anvender en imponerende række vakuumteknologier.
Et tre-i-et vakuumsystem
LHC er usædvanligt, fordi det har tre separate vakuumsystemer: et til strålerørene, et til isolering af de kryogenskølede magneter og et til isolering af heliumfordelingsledningen.
For at undgå at kollidere med gasmolekyler inde i acceleratoren skal partikelstrålerne i LHC bevæge sig i et vakuum, der er lige så tomt som det interstellare rum. I kryomagneterne og heliumfordelingslinjen tjener vakuumet et andet formål. Her fungerer det som en termisk isolator for at reducere den mængde varme, der siver fra det omgivende miljø ved stuetemperatur ind i de kryogene dele, som holdes ved 1,9 K (-271,3 °C).
Det største vakuumsystem i verden
Med i alt 104 kilometer rørledninger under vakuum er LHC’s vakuumsystem blandt de største i verden. Det isolerende vakuum, der svarer til ca. 10-6 mbar, består af imponerende 50 km rørledninger med et samlet volumen på 15 000 kubikmeter, hvilket er mere end nok til at fylde et kirkeskib i en katedral. Opbygningen af dette vakuumsystem krævede mere end 250.000 svejsesamlinger og 18.000 vakuumforseglinger. De resterende 54 km rør under vakuum er strålerørene, som LHC’s to stråler bevæger sig igennem. Trykket i disse rør er i størrelsesordenen 10-10 til 10-11 mbar, hvilket er et vakuum, der er næsten lige så sparsomt som det, der findes på Månens overflade. LHC’s vakuumsystemer er udstyret med 170 Bayard-Alpert-ioniseringsmålere og 1084 Pirani- og Penningmålere til overvågning af vakuumtrykket.
Et vakuum, der er tyndere end det interstellare tomrum
Ultrahøjt vakuum er nødvendigt for de rør, som partikelstrålerne bevæger sig igennem. Det omfatter 48 km buesektioner, der holdes ved 1,9 K, og 6 km lige sektioner, der holdes ved stuetemperatur, hvor strålekontrolsystemer og indføringsområderne for eksperimenterne er placeret.
I buerne opretholdes det ultrahøje vakuum ved kryogen pumpning af 9000 kubikmeter gas. Når strålerørene afkøles til ekstremt lave temperaturer, kondenserer gasserne og klæber sig fast til strålerørets vægge ved adsorption. Der kræves knap to ugers pumpning for at bringe trykket ned under 1,013 × 10-10 mbar (eller 10-13 atmosfærer).
To vigtige konstruktionselementer opretholder det ultrahøje vakuum i rumtemperatursektionerne. For det første gør disse sektioner i vid udstrækning brug af en ikke-fordampelig “getter-belægning” – udviklet og industrialiseret på CERN – som absorberer restmolekyler, når den opvarmes. Belægningen består af en tynd foring af en titanium-zirconium-vanadiumlegering, der er deponeret inde i strålerørene. Den fungerer som et distribueret pumpesystem, der er effektivt til at fjerne alle gasser undtagen metan og ædelgasser. Disse restgasser fjernes af 780-ionpumperne.
For det andet giver rumtemperatursektionerne mulighed for “bakeout” af alle komponenter ved 300 °C. Bakeout er en procedure, hvor vakuumkamrene opvarmes udefra med henblik på at forbedre vakuumkvaliteten. Denne operation skal udføres med jævne mellemrum for at holde vakuumet på det ønskede lave tryk.
Selv om disse teknologier blev udviklet til grundforskning, har de fundet anvendelse i dagligdagen: ultrahøjvakuumteknologien har f.eks. gjort det muligt at forbedre ydeevnen af solvarmekollektorpaneler betydeligt.