Avec le premier démarrage des faisceaux en 2008, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est devenu le plus grand système de vide opérationnel au monde. Il fonctionne à différents niveaux de pression et utilise un éventail impressionnant de technologies du vide.
Un système de vide trois en un
Le LHC est inhabituel car il dispose de trois systèmes de vide distincts : un pour les tuyaux des faisceaux, un pour isoler les aimants refroidis par cryogénie et un pour isoler la ligne de distribution de l’hélium.
Pour éviter d’entrer en collision avec les molécules de gaz à l’intérieur de l’accélérateur, les faisceaux de particules du LHC doivent voyager dans un vide aussi vide que l’espace interstellaire. Dans les cryo-aimants et la ligne de distribution de l’hélium, le vide a une autre fonction. Ici, il agit comme un isolant thermique, pour réduire la quantité de chaleur qui s’infiltre de l’environnement ambiant à température ambiante dans les parties cryogéniques qui sont maintenues à 1,9 K (-271,3°C).
Le plus grand système de vide du monde
Avec un total de 104 kilomètres de tuyauterie sous vide, le système de vide du LHC est parmi les plus grands du monde. Le vide isolant, équivalent à quelque 10-6 mbar, est constitué d’une impressionnante cinquantaine de kilomètres de tuyauteries, dont le volume combiné est de 15 000 mètres cubes, soit plus qu’il n’en faut pour remplir la nef d’une cathédrale. La construction de ce système à vide a nécessité plus de 250 000 joints soudés et 18 000 joints à vide. Les 54 km de tuyaux sous vide restants sont les tuyaux des faisceaux, dans lesquels circulent les deux faisceaux du LHC. La pression dans ces conduites est de l’ordre de 10-10 à 10-11 mbar, un vide presque aussi raréfié que celui que l’on trouve à la surface de la Lune. Les systèmes de vide du LHC sont équipés de 170 jauges d’ionisation Bayard-Alpert et de 1084 jauges Pirani et Penning pour contrôler la pression du vide.
Un vide plus fin que le vide interstellaire
Un ultravide est nécessaire pour les tuyaux dans lesquels circulent les faisceaux de particules. Cela comprend 48 km de sections en arc, maintenues à 1,9 K, et 6 km de sections droites, maintenues à température ambiante, où se trouvent les systèmes de contrôle des faisceaux et les régions d’insertion des expériences.
Dans les arcs, l’ultravide est maintenu par le pompage cryogénique de 9000 mètres cubes de gaz. Lorsque les tubes du faisceau sont refroidis à des températures extrêmement basses, les gaz se condensent et adhèrent aux parois du tube du faisceau par adsorption. Un peu moins de deux semaines de pompage sont nécessaires pour ramener les pressions en dessous de 1,013 × 10-10 mbar (ou 10-13 atmosphères).
Deux caractéristiques de conception importantes maintiennent l’ultravide dans les sections à température ambiante. Tout d’abord, ces sections font un usage généralisé d’un » revêtement getter » non évaporable – développé et industrialisé au CERN – qui absorbe les molécules résiduelles lorsqu’il est chauffé. Ce revêtement consiste en une fine couche d’alliage titane-zirconium-vanadium déposée à l’intérieur des tubes du faisceau. Il agit comme un système de pompage distribué, efficace pour éliminer tous les gaz sauf le méthane et les gaz nobles. Ces gaz résiduels sont éliminés par les 780 pompes ioniques.
Deuxièmement, les sections à température ambiante permettent un « bakeout » de tous les composants à 300°C. Le bakeout est une procédure dans laquelle les chambres à vide sont chauffées de l’extérieur afin d’améliorer la qualité du vide. Cette opération doit être effectuée à intervalles réguliers pour maintenir le vide à la basse pression souhaitée.
Bien que ces technologies aient été développées pour la recherche fondamentale, elles ont trouvé des utilisations quotidiennes : la technologie de l’ultravide a permis d’améliorer considérablement les performances des panneaux de capteurs solaires thermiques, par exemple.