No muy lejos del lago de Ginebra, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) opera el acelerador de partículas más grande del mundo: el Large Hadron Collider (LHC). Los investigadores utilizan la aceleración de partículas para investigar cuestiones físicas fundamentales e intentar determinar la composición de la materia oscura, por ejemplo. Ya han demostrado la existencia del bosón de Higgs, la "partícula de dios", que da a todas las demás partículas elementales su masa.
Detectores gigantes
El acelerador de partículas LHC es un gigantesco túnel con forma de anillo de unos 27 kilómetros de longitud y equipado con cuatro puntos de medición, incluidos dos detectores de uso general: ATLAS y CMS. Los impresionantes cilindros, que pesan tanto como la Torre Eiffel, descansan dentro de enormes cavernas. Para los investigadores, se trata de una ventana a los secretos del universo.
El detector ATLAS se desarrolló para realizar nuevos descubrimientos de partículas resultantes de colisiones frontales de protones. La investigación contribuye a estudios sobre dimensiones adicionales, la unificación de fuerzas y la materia oscura.
El detector CMS se desarrolló para estudiar las partículas producidas en colisiones de protones-protones e iones pesados. Los investigadores quieren encontrar respuestas a preguntas fundamentales como: "¿Por qué es el mundo como es?","¿Por qué algunas partículas pesan más que otras?" y "¿Qué es lo que hace que la oscuridad sea importante en el universo?"
Para explorar los secretos ocultos, el ATLAS y el CMS utilizan mediciones de precisión para registrar la ruta, el impulso y la energía de las partículas liberadas sin errores. Los detectores están cubiertos con módulos de sensores de silicio (más de cien metros cuadrados cada uno) que registran las colisiones de partículas, que generan más de mil millones de interacciones por segundo.
Imagen izquierda: Los detectores ATLAS y CMS del laboratorio del CERN en Suiza utilizan mediciones de precisión para registrar la ruta, el impulso y la energía de las partículas liberadas. El detector CMS estudia las partículas producidas en colisiones protón-protón e iones pesados. Crédito de imagen: CERN
Imagen derecha: El detector ATLAS se utiliza para realizar descubrimientos de partículas resultantes de colisiones frontales de protones. La investigación contribuye a estudios sobre dimensiones adicionales, la unificación de fuerzas y la materia oscura. Crédito de imagen: CERN
Manteniendo la frescura
Para garantizar que las mediciones sean precisas y que los sensores de silicio no se dañen por la alta dosis de radiación, se requieren temperaturas de hasta -55 °C. La electrónica y los sensores también generan mucho calor que es necesario disipar.
Durante una parada prolongada planificada entre 2026 y 2029, el acelerador LHC y sus experimentos se someterán a una importante actualización. Una parte es la sustitución completa de los detectores de seguimiento de silicio.
"ATLAS y CMS utilizarán un sistema de enfriamiento de CO2 bifásico para todos sus rastreadores de silicio y detectores calorimétricos de tapón final. El sistema permite una alta transferencia de calor a una viscosidad baja y un rango de temperatura que es adecuado para el funcionamiento del detector", afirma Jérôme Daguin, Ingeniero de Refrigeración y Coordinador de Refrigeración de CMS del CERN.
El sistema de refrigeración se basará en unidades modulares paralelas que hacen circular el CO2 a través de evaporadores especiales. Cada módulo de refrigeración estará equipado con una bomba de diafragma especial para hacer circular el CO2 líquido.
Para introducir el medio de refrigeración de forma precisa y segura, el CERN vuelve a trabajar con los expertos en bombas de LEWA, una marca de Atlas Copco Group. Las bombas dosificadoras por diafragma LEWA de diferentes tamaños se utilizarán para alimentar de forma precisa y constante el CO2 líquido utilizado en el circuito de refrigeración.
Rompiendo límites
Las bombas dosificadoras de diafragma se probaron específicamente para los requisitos del CERN. Ni el CERN ni LEWA querían dejar nada al azar cuando se trataba de garantizar que el transporte del sofisticado medio de refrigeración desde las cavernas de servicio hasta los detectores se realizara sin errores. Se construyeron varios prototipos para la versión remota adaptada, que funcionaron como bancos de pruebas en condiciones reales. Primero se probaron con agua, luego se limpiaron con etanol y luego se probaron en funcionamiento continuo con CO2.
"Era importante implementar una solución robusta y duradera. La lista de requisitos era bastante ambiciosa y requería algunas adaptaciones muy especiales", explica Wieland Wolff, Area Sales Manager de LEWA.
Por ejemplo, los sellos existentes de la versión básica se validaron primero y, a continuación, se sustituyeron por versiones más adecuadas. Para evitar que las alarmas de advertencia de CO2 se dispararan accidentalmente después de la instalación in situ, las unidades herméticamente selladas también se recubrieron con el fluoropolímero PTFE en los puntos críticos. Además, la unidad de accionamiento y el cabezal de accionamiento se modificaron para proporcionar puntos de medición adecuados para los instrumentos del CERN.
Además, la temperatura transmitida en la unidad de accionamiento no debe descender por debajo de -20 °C. Para ello, los ingenieros de LEWA han añadido una línea alterna en la que el aceite hidráulico puede calentarse, evitando que el CO2 de -55 °C llegue a la unidad de accionamiento.
El proceso del acelerador de partículas LHC se basa en temperaturas frías habilitadas por las bombas dosificadoras por diafragma de LEWA, una marca de Atlas Copco Group.
Beneficios mutuos
El extenso trabajo de preparación ha dado sus frutos y LEWA ha comenzado a suministrar el primer lote de un total de 18 bombas LDG ecoflow.
Las bombas se instalan lejos de los detectores en las cavernas de servicio, fuera del área de radiación y campo magnético que se encuentra en las cavernas experimentales. Esto permite controlarlos desde la sala de control mediante el ajuste eléctrico de la carrera y un inversor de frecuencia, lo que elimina la necesidad de que los empleados estén presencialmente.
Cuando se complete el apagado actual, las bombas instaladas enfriarán los componentes electrónicos y los sensores de silicio a través de una compleja red de líneas de transferencia, colectores de distribución y pequeños tubos de refrigeración.
Encontrará más información en: www.lewa.com y www.atlas.cern
