El alineamiento preciso de los componentes de un acelerador de partículas
Los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, representan el «summum» de la ciencia, pero también requieren de una labor de ingeniería de la máxima precisión. En el CERN se estudia la construcción de un nuevo colisionador, el Colisionador Lineal Compacto (CLIC), y en ese contexto ha establecido —con financiación de la UE— una red de formación a nivel de doctorado llamada PACMAN cuya finalidad es sortear algunos de los impedimentos técnicos relacionados con la metrología que plantea la alineación de los componentes del acelerador con una precisión micrométrica. El CLIC continuará la labor realizada con el LHC y permitirá a los científicos del CERN estudiar colisiones entre electrones y positrones a energías de hasta varios teraelectronvoltios. En su configuración definitiva, los conjuntos de electrones y positrones se acelerarán a lo largo de 25 km desde dos extremos opuestos. Desde el inicio de su diseño se apreció con claridad la gran dificultad que entrañaría el alineamiento de los veinte mil módulos y los sistemas técnicos asociados que se alojarán en el interior del túnel del acelerador. Una de las dificultades técnicas consistirá en alinear esos componentes a lo largo de cientos de metros con el fin de crear y mantener el haz de electrones más pequeño posible, para así crear el máximo de eventos de colisión. En el CLIC, el tamaño del haz en el punto de colisión estará en el orden de un nanómetro en sentido vertical y de cuarenta nanómetros en sentido horizontal (conformando la figura de una cinta). «La red PACMAN tiene el cometido de lograr un alineamiento más exacto de los componentes del acelerador, y ello requiere una investigación multidisciplinar que abarca la metrología, el mecanizado de gran precisión, la tecnología de microondas y las mediciones magnéticas», informó la Dra. Helene Mainaud Durand, coordinadora del proyecto y científica del CERN. En la red, financiada durante cuatro años, participaron diez estudiantes de doctorado y también entidades académicas e industriales. Para ensayar experimentalmente los nuevos métodos creados en el proyecto, el haz de electrones se sustituyó por un alambre tendido que atravesaba los componentes del acelerador. Con las mediciones magnéticas o electromagnéticas realizadas, se pudo apreciar si el alambre estaba situado exactamente en el centro de cada componente. «Esto se estuvo preparando durante un año. Los estudiantes tuvieron que ponerse de acuerdo en el alambre que usarían en todas las mediciones y convenir también el hardware y software que utilizarían», recordó Durand. Con los métodos creados se demostró que era posible posicionar de forma idéntica el alambre tendido en el centro de cada tipo de componente, con un margen de un micrómetro. «Nunca se había alcanzado ese grado de exactitud, y nos va a permitir alinear los componentes con rapidez y, también, valernos de métodos automatizados para ganar tiempo», indicó Durand. Utilizando plantillas externas de posicionamiento podrían alinear automáticamente los componentes durante su ensamblaje en una instalación industrial o después de su traslado, ya dentro del túnel del acelerador. Esto podría lograrse con un margen de error inferior a cinco micrómetros. Algunos de los métodos creados dentro de la red PACMAN se aplicarán en el CERN a componentes del LHC en el marco de una actualización que tendrá lugar en 2024 (en el proyecto HL-LHC), lo que se espera ayude a aumentar el número de eventos de colisión que pueden observarse en el LHC. Esos métodos, además, han suscitado el interés del colectivo dedicado a los aceleradores con fines médicos, y concretamente a la radioterapia oncológica, donde se requieren tolerancias igual de ajustadas al alinear los componentes. «Los métodos surgidos del proyecto podrían aplicarse también a los sectores aeroespacial y automovilístico, a los telescopios de investigación y al montaje de satélites», aseguró Durand. El grupo de Transferencia del Conocimiento del CERN ha emprendido un estudio complementario precisamente para estudiar esas posibilidades.
Palabras clave
PACMAN, diseño de un acelerador de partículas, Gran Colisionador de Hadrones, Colisionador Lineal Compacto, metrología, componentes de un acelerador, alineamiento
