Con il primo avvio dei fasci nel 2008, il Large Hadron Collider (LHC) è diventato il più grande sistema di vuoto operativo al mondo. Funziona a diversi livelli di pressione e utilizza una serie impressionante di tecnologie del vuoto.
Un sistema del vuoto tre-in-uno
L’LHC è insolito in quanto ha tre sistemi del vuoto separati: uno per i tubi del fascio, uno per isolare i magneti raffreddati criogenicamente e uno per isolare la linea di distribuzione dell’elio.
Per evitare la collisione con le molecole di gas all’interno dell’acceleratore, i fasci di particelle nell’LHC devono viaggiare in un vuoto vuoto come lo spazio interstellare. Nei criomagneti e nella linea di distribuzione dell’elio, il vuoto ha uno scopo diverso. Qui, agisce come un isolante termico, per ridurre la quantità di calore che si infiltra dall’ambiente circostante a temperatura ambiente nelle parti criogeniche che sono mantenute a 1,9 K (-271,3°C).
Il più grande sistema di vuoto del mondo
Con un totale di 104 chilometri di tubazioni sotto vuoto, il sistema di vuoto dell’LHC è tra i più grandi del mondo. Il vuoto isolante, equivalente a circa 10-6 mbar, è costituito da ben 50 km di tubazioni, con un volume combinato di 15.000 metri cubi, più che sufficiente a riempire la navata di una cattedrale. La costruzione di questo sistema a vuoto ha richiesto più di 250.000 giunti saldati e 18.000 guarnizioni a vuoto. I restanti 54 km di tubi sotto vuoto sono i tubi del fascio, attraverso i quali viaggiano i due fasci dell’LHC. La pressione in questi tubi è dell’ordine di 10-10 a 10-11 mbar, un vuoto quasi altrettanto rarefatto di quello che si trova sulla superficie della Luna. I sistemi di vuoto dell’LHC sono dotati di 170 misuratori di ionizzazione Bayard-Alpert e 1084 misuratori Pirani e Penning per monitorare la pressione del vuoto.
Un vuoto più sottile del vuoto interstellare
Il vuoto ultra-alto è necessario per i tubi in cui viaggiano i fasci di particelle. Questo comprende 48 km di sezioni ad arco, mantenute a 1,9 K, e 6 km di sezioni diritte, mantenute a temperatura ambiente, dove si trovano i sistemi di controllo del fascio e le regioni di inserimento degli esperimenti.
Negli archi, il vuoto ultra-alto è mantenuto dal pompaggio criogenico di 9000 metri cubi di gas. Quando i tubi del fascio sono raffreddati a temperature estremamente basse, i gas si condensano e aderiscono alle pareti del tubo del fascio per adsorbimento. Poco meno di due settimane di pompaggio sono necessarie per portare le pressioni al di sotto di 1,013 × 10-10 mbar (o 10-13 atmosfere).
Due importanti caratteristiche progettuali mantengono il vuoto ultra-alto nelle sezioni a temperatura ambiente. In primo luogo, queste sezioni fanno largo uso di un “rivestimento getter” non evaporabile – sviluppato e industrializzato al CERN – che assorbe le molecole residue quando viene riscaldato. Il rivestimento consiste in un sottile rivestimento di lega titanio-zirconio-vanadio depositato all’interno dei tubi del fascio. Agisce come un sistema di pompaggio distribuito, efficace per rimuovere tutti i gas tranne il metano e i gas nobili. Questi gas residui sono rimossi dalle pompe ioniche 780.
In secondo luogo, le sezioni a temperatura ambiente permettono il “bakeout” di tutti i componenti a 300°C. Il bakeout è una procedura in cui le camere a vuoto sono riscaldate dall’esterno per migliorare la qualità del vuoto. Questa operazione deve essere eseguita a intervalli regolari per mantenere il vuoto alla bassa pressione desiderata.
Anche se queste tecnologie sono state sviluppate per la ricerca fondamentale, hanno trovato usi quotidiani: la tecnologia dell’ultra alto vuoto ha reso possibile un grande miglioramento delle prestazioni dei pannelli collettori termici solari, per esempio.