Com o primeiro arranque das vigas em 2008, o Large Hadron Collider (LHC) tornou-se o maior sistema de vácuo operacional do mundo. Ele opera em vários níveis de pressão e usa uma impressionante variedade de tecnologias de vácuo.
Um sistema de vácuo de três em um
O LHC é incomum, pois tem três sistemas de vácuo separados: um para os tubos de feixe, um para isolar os ímãs refrigerados criogenicamente e um para isolar a linha de distribuição de hélio.
Para evitar colisões com moléculas de gás dentro do acelerador, os feixes de partículas no LHC devem viajar em um vácuo tão vazio quanto o espaço interestelar. Nas criomagnets e na linha de distribuição de hélio, o vácuo tem um propósito diferente. Aqui, ele atua como isolante térmico, para reduzir a quantidade de calor que se infiltra do ambiente de temperatura ambiente circundante para as partes criogênicas que são mantidas a 1,9 K (-271,3°C).
O maior sistema de vácuo do mundo
Com um total de 104 quilômetros de tubulação sob vácuo, o sistema de vácuo do LHC está entre os maiores do mundo. O vácuo isolante, equivalente a cerca de 10-6 mbar, é composto por um impressionante 50 km de tubulação, com um volume combinado de 15.000 metros cúbicos, mais do que suficiente para encher a nave de uma catedral. A construção deste sistema de vácuo exigiu mais de 250.000 juntas soldadas e 18.000 vedações a vácuo. Os restantes 54 km de tubagens sob vácuo são os tubos de viga, através dos quais passam as duas vigas do LHC. A pressão nestas condutas é da ordem de 10-10 a 10-11 mbar, um vácuo quase tão rarefeito como o encontrado na superfície da Lua. Os sistemas de vácuo do LHC estão equipados com 170 medidores de ionização Bayard-Alpert e 1084 medidores Pirani e Penning para monitorar a pressão de vácuo.
Um vácuo mais fino que o vazio interestelar
Ultra-alto vácuo é necessário para as tubulações nas quais as vigas de partículas viajam. Isto inclui 48 km de secções de arco, mantidos a 1,9 K, e 6 km de secções rectas, mantidos à temperatura ambiente, onde se encontram os sistemas de controlo de feixes e as regiões de inserção das experiências.
Nos arcos, o vácuo ultra-alto é mantido por bombagem criogénica de 9000 metros cúbicos de gás. Como os tubos de viga são arrefecidos a temperaturas extremamente baixas, os gases condensam e aderem às paredes do tubo de viga por adsorção. Pouco menos de duas semanas de bombeamento são necessárias para reduzir as pressões abaixo de 1,013 × 10-10 mbar (ou 10-13 atmosferas).
Duas importantes características de projeto mantêm o vácuo ultra-alto nas seções de temperatura ambiente. Em primeiro lugar, estas seções fazem uso generalizado de um “getter coating” não evaporável – desenvolvido e industrializado no CERN – que absorve moléculas residuais quando aquecido. O revestimento consiste em um fino revestimento de liga de titânio-zircônio-vanádio depositado dentro dos tubos do feixe. Atua como um sistema de bombeamento distribuído, eficaz na remoção de todos os gases, exceto o metano e os gases nobres. Estes gases residuais são removidos pelas bombas de íons 780.
Segundo, as seções de temperatura ambiente permitem “bakeout” de todos os componentes a 300°C. Bakeout é um procedimento no qual as câmaras de vácuo são aquecidas do exterior, a fim de melhorar a qualidade do vácuo. Esta operação precisa ser realizada em intervalos regulares para manter o vácuo na baixa pressão desejada.
Embora estas tecnologias tenham sido desenvolvidas para pesquisas fundamentais, elas têm encontrado usos diários: a tecnologia de vácuo ultra-alto tornou possível uma grande melhoria no desempenho dos painéis de coletores solares térmicos, por exemplo.