Med den första starten av strålar 2008 blev Large Hadron Collider (LHC) det största fungerande vakuumsystemet i världen. Den fungerar vid olika trycknivåer och använder en imponerande mängd vakuumtekniker.
Ett tre-i-ett vakuumsystem
LHC är ovanligt eftersom den har tre separata vakuumsystem: ett för strålrören, ett för att isolera de kryogent kylda magneterna och ett för att isolera heliumfördelningsledningen.
För att undvika att kollidera med gasmolekyler inne i acceleratorn måste partikelstrålarna i LHC färdas i ett vakuum som är lika tomt som den interstellära rymden. I kryomagneterna och heliumfördelningsledningen tjänar vakuumet ett annat syfte. Här fungerar det som en termisk isolator för att minska mängden värme som sipprar från den omgivande rumstempererade miljön in i de kryogena delarna som hålls vid 1,9 K (-271,3 °C).
Världens största vakuumsystem
Med sammanlagt 104 kilometer rörledningar under vakuum är LHC:s vakuumsystem bland de största i världen. Det isolerande vakuumet, som motsvarar cirka 10-6 mbar, består av imponerande 50 km rörledningar med en sammanlagd volym på 15 000 kubikmeter, vilket är mer än tillräckligt för att fylla katedralens mittskepp. För att bygga detta vakuumsystem krävdes mer än 250 000 svetsade skarvar och 18 000 vakuumtätningar. De återstående 54 kilometerna av rören under vakuum är strålrören, genom vilka LHC:s två strålar rör sig. Trycket i dessa rör är i storleksordningen 10-10 till 10-11 mbar, ett vakuum som är nästan lika magert som det som finns på månens yta. LHC:s vakuumsystem är utrustade med 170 Bayard-Alpert-joniseringsmätare och 1084 Pirani- och Penningmätare för att övervaka vakuumtrycket.
Ett vakuum som är tunnare än det interstellära tomrummet
Ultrahögt vakuum behövs för de rör som partikelstrålarna färdas genom. Detta omfattar 48 km bågsektioner, som hålls vid 1,9 K, och 6 km raka sektioner, som hålls vid rumstemperatur, där strålstyrningssystem och insättningsområden för experimenten finns.
I bågarna upprätthålls det ultrahöga vakuumet genom kryogen pumpning av 9000 kubikmeter gas. När strålrören kyls ner till extremt låga temperaturer kondenserar gaserna och fastnar på strålrörets väggar genom adsorption. Det krävs knappt två veckors pumpning för att få ner trycket till under 1,013 × 10-10 mbar (eller 10-13 atmosfärer).
Två viktiga konstruktionsdetaljer upprätthåller det ultrahöga vakuumet i sektionerna vid rumstemperatur. För det första använder man sig i dessa sektioner i stor utsträckning av en ”getterbeläggning” som inte kan förångas – utvecklad och industrialiserad vid CERN – och som absorberar kvarvarande molekyler när den värms upp. Beläggningen består av ett tunt lager av en titan-zirkonium-vanadiumlegering som deponeras inuti strålrören. Den fungerar som ett distribuerat pumpsystem som är effektivt för att avlägsna alla gaser utom metan och ädelgaser. Dessa restgaser avlägsnas av de 780 jonpumparna.
För det andra möjliggör sektionerna för rumstemperatur ”bakeout” av alla komponenter vid 300°C. Bakeout är ett förfarande där vakuumkamrarna värms upp utifrån för att förbättra kvaliteten på vakuumet. Detta måste göras med jämna mellanrum för att hålla vakuumet på det önskade låga trycket.
Trots att dessa tekniker utvecklades för grundforskning har de fått vardagliga användningsområden: ultrahögvakuumtekniken har till exempel gjort det möjligt att avsevärt förbättra prestandan hos solvärmekollektorpaneler.