Mit der ersten Inbetriebnahme der Strahlen im Jahr 2008 wurde der Large Hadron Collider (LHC) zum größten in Betrieb befindlichen Vakuumsystem der Welt. Er arbeitet bei verschiedenen Druckniveaus und verwendet eine beeindruckende Reihe von Vakuumtechnologien.
Ein Vakuum-System mit drei Komponenten
Der LHC ist insofern ungewöhnlich, als er drei separate Vakuumsysteme hat: eines für die Strahlrohre, eines für die Isolierung der kryogenisch gekühlten Magnete und eines für die Isolierung der Heliumverteilungsleitung.
Um Kollisionen mit Gasmolekülen im Inneren des Beschleunigers zu vermeiden, müssen die Teilchenstrahlen im LHC in einem Vakuum reisen, das so leer ist wie der interstellare Raum. In den Kryomagneten und der Heliumverteilungsleitung dient das Vakuum einem anderen Zweck. Hier wirkt es als thermischer Isolator, um die Wärmemenge zu verringern, die aus der Umgebung mit Raumtemperatur in die kryogenen Teile dringt, die auf 1,9 K (-271,3°C) gehalten werden.
Das größte Vakuumsystem der Welt
Mit insgesamt 104 Kilometern Rohrleitungen unter Vakuum gehört das Vakuumsystem des LHC zu den größten der Welt. Das isolierende Vakuum, das etwa 10-6 mbar entspricht, besteht aus beeindruckenden 50 km Rohrleitungen mit einem Gesamtvolumen von 15.000 Kubikmetern, mehr als genug, um das Kirchenschiff einer Kathedrale zu füllen. Der Bau dieses Vakuumsystems erforderte mehr als 250.000 Schweißverbindungen und 18.000 Vakuumdichtungen. Die verbleibenden 54 km an Rohren unter Vakuum sind die Strahlrohre, durch die die beiden Strahlen des LHC laufen. Der Druck in diesen Rohren liegt in der Größenordnung von 10-10 bis 10-11 mbar, ein Vakuum, das fast so verdünnt ist wie das auf der Mondoberfläche. Die Vakuumsysteme des LHC sind mit 170 Bayard-Alpert-Ionisationsmessgeräten und 1084 Pirani- und Penning-Messgeräten ausgestattet, um den Vakuumdruck zu überwachen.
Ein Vakuum, das dünner ist als die interstellare Leere
Für die Rohre, in denen sich die Teilchenstrahlen bewegen, ist ein Ultrahochvakuum erforderlich. Dazu gehören 48 km Bogenabschnitte, die auf 1,9 K gehalten werden, und 6 km gerade Abschnitte, die auf Raumtemperatur gehalten werden und in denen sich die Strahlkontrollsysteme und die Einführungsbereiche für die Experimente befinden.
In den Bögen wird das Ultrahochvakuum durch kryogenes Pumpen von 9000 Kubikmetern Gas aufrechterhalten. Da die Strahlrohre auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden, kondensieren die Gase und bleiben durch Adsorption an den Wänden des Strahlrohrs haften. Um die Drücke auf unter 1,013 × 10-10 mbar (oder 10-13 Atmosphären) zu senken, sind knapp zwei Wochen Pumpzeit erforderlich.
Zwei wichtige Konstruktionsmerkmale sorgen für das Ultrahochvakuum in den Raumtemperatursektionen. Erstens wird in diesen Abschnitten in großem Umfang eine nicht verdampfbare „Getter-Beschichtung“ verwendet, die am CERN entwickelt und industrialisiert wurde und bei Erwärmung Restmoleküle absorbiert. Die Beschichtung besteht aus einer dünnen Auskleidung aus einer Titan-Zirkonium-Vanadium-Legierung, die im Inneren der Strahlrohre aufgebracht wird. Sie wirkt wie ein verteiltes Pumpsystem, das alle Gase außer Methan und Edelgasen entfernt. Diese Restgase werden von den 780 Ionenpumpen entfernt.
Zweitens ermöglichen die Raumtemperatursektionen das „Ausheizen“ aller Komponenten bei 300°C. Bakeout ist ein Verfahren, bei dem die Vakuumkammern von außen beheizt werden, um die Qualität des Vakuums zu verbessern. Dieser Vorgang muss in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, um das Vakuum auf dem gewünschten niedrigen Druck zu halten.
Obwohl diese Technologien für die Grundlagenforschung entwickelt wurden, haben sie auch im Alltag Anwendung gefunden: Die Ultrahochvakuumtechnik ermöglichte beispielsweise eine erhebliche Verbesserung der Leistung von solarthermischen Kollektoren.