Met het opstarten van de eerste bundels in 2008 is de Large Hadron Collider (LHC) het grootste operationele vacuümsysteem ter wereld geworden. De LHC werkt op verschillende drukniveaus en maakt gebruik van een indrukwekkende reeks vacuümtechnologieën.
Een drie-in-één vacuümsysteem
De LHC is ongebruikelijk omdat het drie afzonderlijke vacuümsystemen heeft: een voor de straalbuizen, een voor het isoleren van de cryogeen gekoelde magneten en een voor het isoleren van de heliumverdeelleiding.
Om botsingen met gasmoleculen in de versneller te voorkomen, moeten de deeltjesbundels in de LHC reizen in een vacuüm dat net zo leeg is als de interstellaire ruimte. In de cryomagneten en de helium-distributielijn dient het vacuüm een ander doel. Hier fungeert het als een thermische isolator, om de hoeveelheid warmte te verminderen die van de omringende omgeving op kamertemperatuur doorsijpelt naar de cryogene onderdelen, die op 1,9 K (-271,3°C) worden gehouden.
Het grootste vacuümsysteem ter wereld
Met een totaal van 104 kilometer leidingen onder vacuüm behoort het vacuümsysteem van de LHC tot het grootste ter wereld. Het isolerende vacuüm, dat overeenkomt met ongeveer 10-6 mbar, bestaat uit een indrukwekkende 50 km pijpleidingen, met een gecombineerd volume van 15.000 kubieke meter, meer dan genoeg om het schip van een kathedraal te vullen. Voor de bouw van dit vacuümsysteem waren meer dan 250.000 gelaste verbindingen en 18.000 vacuümafdichtingen nodig. De resterende 54 km pijpen onder vacuüm zijn de straalbuizen, waardoor de twee stralen van de LHC gaan. De druk in deze pijpen ligt in de orde van 10-10 tot 10-11 mbar, een vacuüm dat bijna even ijl is als dat op het maanoppervlak. De vacuümsystemen van de LHC zijn uitgerust met 170 Bayard-Alpert ionisatiemeters en 1084 Pirani- en Penningmeters om de vacuümdruk te controleren.
Een vacuüm dunner dan de interstellaire leegte
Ultra-hoog vacuüm is nodig voor de pijpen waarin de deeltjesbundels reizen. Dit omvat 48 km boogsecties, die op 1,9 K worden gehouden, en 6 km rechte secties, die op kamertemperatuur worden gehouden, waar zich de bundelcontrolesystemen en de inbrenggebieden voor de experimenten bevinden.
In de bogen wordt het ultrahoogvacuüm gehandhaafd door 9000 kubieke meter gas cryogeen te pompen. Wanneer de straalbuizen tot extreem lage temperaturen worden afgekoeld, condenseren de gassen en hechten zich door adsorptie aan de wanden van de straalbuis. Er is iets minder dan twee weken pompen nodig om de druk onder 1,013 × 10-10 mbar (of 10-13 atmosfeer) te brengen.
Twee belangrijke ontwerpkenmerken houden het ultrahoog vacuüm in de ruimtetemperatuurafdelingen in stand. Ten eerste wordt in deze secties op grote schaal gebruik gemaakt van een niet-verdampende “gettercoating” – ontwikkeld en geïndustrialiseerd bij CERN – die bij verhitting restmoleculen absorbeert. De coating bestaat uit een dunne voering van een titaan-zirkonium-vanadium-legering die binnenin de straalbuizen wordt afgezet. De coating werkt als een gedistribueerd pompsysteem, dat alle gassen behalve methaan en de edelgassen effectief verwijdert. Deze restgassen worden verwijderd door de 780 ionenpompen.
Ten tweede maken de secties bij kamertemperatuur “bakeout” van alle componenten bij 300°C mogelijk. Bakeout is een procedure waarbij de vacuümkamers van buitenaf worden verwarmd om de kwaliteit van het vacuüm te verbeteren. Deze operatie moet met regelmatige tussenpozen worden uitgevoerd om het vacuüm op de gewenste lage druk te houden.
Hoewel deze technologieën werden ontwikkeld voor fundamenteel onderzoek, hebben zij alledaagse toepassingen gevonden: ultra-hoog vacuümtechnologie maakte bijvoorbeeld een belangrijke verbetering van de prestaties van zonnecollectorpanelen mogelijk.