Hoe vacuüm de grootste en krachtigste deeltjesbotser ter wereld beïnvloedt 19 oktober 2020
3 MIN READ
Diep onder de Frans-Zwitserse grens ligt een enorme ring van metaal en magneten: de Large Hadron Collider (LHC), 's werelds grootste en krachtigste deeltjescollider.
De LHC bevindt zich 100 meter onder de grond bij CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) en bestaat uit een 27 kilometer lange ring van supergeleidende magneten. Door de versnelling van de botsing kunnen twee stralen van deeltjes met een extreem hoge energie tegengestelde richtingen afleggen met een snelheid die dicht bij die van licht ligt, voordat ze met elkaar in botsing komen.
Vacuüm in de grote hadronbotser
Voor een succesvolle en krachtige botsing is het nodig dat ultrahoge vacuümniveaus worden gehandhaafd terwijl de LHC in bedrijf is. Hieronder volgt een overzicht van de primaire vacuümsystemen die in de botsing worden gebruikt.
Balkvacuüm
Bij een botsing worden twee deeltjes met hoge snelheden in tegengestelde richtingen 'gestraald', waarbij elk deeltje in zijn eigen buis zit. Deze twee buizen moeten op extreem hoge vacuümniveaus worden gehouden om de duur van de straal te maximaliseren en de druk voor de experimenten laag te houden. Dit wordt bereikt door het zogenaamde balkvacuüm.
Hiervoor worden twee pompmechanismen gebruikt:
- Cryogeen pompen: restgasmoleculen worden fysiek geadsorbeerd in het koude boorgatoppervlak bij een temperatuur van 1,9 K
- Niet-verdampbare getter (NEG) pompen: restgasmoleculen worden chemisch geadsorbeerd op het oppervlak van de balkbuizen
Isolatievacuüm
De supergeleidende magneten van de LHC worden gekoeld met vloeibaar helium tot een temperatuur van 1,9 K (ca. -271 °C). De LHC gebruikt een krachtig vacuüm om de magneten thermisch te isoleren en zo de extreem lage temperaturen te handhaven die nodig zijn voor een succesvolle botsing.
Pompen in de grote hadronbotsing
De primaire pomptechnologieën die in de botsing worden gebruikt, zijn:
Ionenpompen
Een ionenpomp is een soort vacuümpomp die werkt door een metalen geter te sputteren.
Turbomoleculaire pomp
Turbomoleculaire pompen werken volgens het principe dat gasmoleculen herhaaldelijk tegen een bewegend vast oppervlak kunnen botsen om momentum in de gewenste richting te bereiken.
Beide pompsystemen moeten bestand zijn tegen hoge stralings- en magnetische veldniveaus.
Mogelijke onderhoudsuitdagingen
Een grote uitdaging bij de montage van de LHC was het opsporen van lekken: de lekdichtheid moet gegarandeerd zijn om grote vacuümsystemen betrouwbaar te kunnen bedienen.
Een lek kan ertoe leiden dat de basisdruk boven of onder de vereiste niveaus stijgt, waardoor aanzienlijk – en duur – nawerk nodig is.
Toekomstige upgrades en de grote hadron-bumper met hoge helderheid
De LHC wordt momenteel geüpgraded en zijn opvolger zal bekend staan als de High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). De upgrades zijn begonnen in juni 2018 en zullen naar verwachting in 2027 voltooid zijn. De veranderingen zullen het detectiebereik van nieuwe deeltjes naar verwachting met ongeveer 20-30% verhogen ten opzichte van de huidige LHC en ook de levensduur van de LHC verlengen tot 2040.
