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Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS diseñado en el CIEMAT

 

05/08/2019

Partículas elementales y astropartículas

Tras más de un año de intensas tareas de diseño, fabricación y montaje, se ha completado la primera fase de la instalación de la cubierta protectora del experimento CMS (Solenoide compacto de muones) del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear). Esta cubierta está formada por una estructura mecánica de vigas que soporta unas cajas con el material de apantallamiento frente a la radiación, procedente de neutrones residuales que permean la caverna. El objetivo es reducir el nivel de radiación que llega a los detectores de CMS, particularmente, a las cámaras de deriva, de las cuales es responsable el CIEMAT.

 
  

El experimento CMS está funcionando en el acelerador LHC (Large Hadron Collider, Gran Colisionador de Hadrones) en Ginebra, Suiza, desde el año 2009. El ciclo de toma de datos está formado por unos períodos de operación continua y diversos períodos de paradas técnicas, en los cuales se realizan las reparaciones y las modificaciones necesarias para mejorar el acelerador y los detectores y optimizar así su funcionamiento.

   

El CERN aprobó en 2013 un plan de aumento de la luminosidad (relacionada con el número de colisiones por segundo) denominado HL-LHC (High Luminosity-LHC), en el cual se irá aumentando la luminosidad instantánea a partir de 2025 hasta alcanzar factores 5 y un factor 10 en la luminosidad integrada en 2035. Con este plan se pretende aumentar notablemente el potencial de descubrimientos de física y continuar con la exploración del bosón de Higgs, descubierto en el LHC. El CIEMAT está participando intensamente en las actividades de actualización para HL-LHC, centrados fundamentalmente en las actividades relacionadas con el detector de muones central.

   

En este escenario de alta luminosidad ha sido necesario evaluar la capacidad de los distintos detectores para operar en estas condiciones y, además, estudiarlo hasta 2035, es decir: 10 años de operación más de lo esperado. Para el CIEMAT es de especial importancia asegurar el funcionamiento en estas condiciones del detector de las cámaras de deriva, las cuales realizan la identificación y reconstrucción de los muones en la zona central de CMS y desencadenan la toma de datos, ya que ha sido responsable de la fabricación, instalación y comisionado del 25 % de las cámaras. La Dra. Cristina Fernández es la actual jefa del proyecto de las cámaras de deriva y el Dr. Ignacio Redondo es el coordinador técnico de su actualización (ambos adscritos al Departamento de Investigación Básica del CIEMAT). Por ello se han realizado diversos estudios del funcionamiento de estas cámaras bajo radiación en la instalación GIF++ (Gamma Irradiation Facility, Instalación de irradiación gamma) en el CERN y se ha comprobado, gracias a personal del CIEMAT como David Redondo o Sergio Sánchez, que estas cámaras son sensibles a niveles elevados de radiación, perdiendo parte de su eficiencia. 

   

Con el fin de mitigar el efecto de estos altos niveles de radiación, se han planeado diversas actividades para alargar la vida útil de las cámaras de deriva durante su  operación en el HL-LHC. Entre ellas se incluye el cambio de modo del sistema de gas a no recirculación, reducir la alta tensión de operación de los hilos de las cámaras para reducir la carga recogida y la instalación de un sistema de apantallamiento de la radiación en las cámaras más externas.

   

Este sistema de apantallamiento se ha diseñado en el CIEMAT por el Dr. Enrique Calvo con la ayuda de Sergio Pulido y Juan José Martínez (también del Departamento de Investigación Básica). Está formado por unas vigas de sujeción que se fijan a la estructura actual de CMS y que permiten la inserción de unas cassettes de aluminio que alojan unas planchas de 7 mm de espesor de plomo y otras de 30 mm de espesor de polietileno borado al 5 % (en las zonas más expuestas se usan 90 mm de polietileno). Este sistema mecánico se complementa con un útil de inserción formado por una mecánica versátil y adaptable y unos motores controlados por una electrónica desarrollada también en el CIEMAT (Dr. Álvaro Navarro, José Manuel Cela, David Redondo) que permiten la inserción controlada de los cassettes en las estructuras. 

   

La mayor parte de las piezas mecánicas se han fabricado íntegramente en los talleres generales del CIEMAT gracias  a la inestimable labor del personal de la Unidad de Fabricación y Apoyo a la I+D (del Departamento de Tecnología, José Manuel Alarcón, José Alba, David Alba, Francisco José Amaro, Gabriel Borrajo, Benito Caballero, Miguel Ángel Corral, Manuel Daniel, Juan Ramón Díaz-Ropero, Miguel Ángel Jiménez, Alex Llumiquinga, César Londero, Francisco Menor, Francisco José Miguel, Vicente Mirones, Javier Parduelles, José Luis Pascual, Miguel Ángel Torres, Antonio Torres, Juan José Vidriales).

   

El montaje de las cassettes, del útil de inserción y las pruebas de las vigas se han realizado en la Nave 75 por el equipo de técnicos del Departamento de Investigación Básica y con ayuda del Departamento de Tecnología: David Francia, Carlos Blanco, Julián García Romero, Iván Martín, Carlos Puras, Víctor Salto y Javier Yáñez.

   

La mayoría de estos técnicos se han desplazado al CERN para realizar la instalación de este sistema bajo la supervisión del Dr. Ignacio Redondo, trabajando con equipos del CERN, particularmente los operadores del puente grúa de la caverna experimental, y de otros institutos de la colaboración de las cámaras de deriva de CMS. Esta instalación, desarrollada a lo largo de cuatro meses, ha supuesto un reto importante debido a diversos imprevistos en la forma de la estructura de CMS que no están recogidas en los planos 3D del detector. Aun así, el equipo ha hecho un excelente trabajo y ha superado todas las dificultades, consiguiendo instalar satisfactoriamente 8 estructuras en las ruedas YB+1 y YB+2. 

   

En lo que falta de año se instalarán las 14 estructuras de las ruedas negativas, así como 6 medias estructuras en la rueda central YB0, esperando completar el sistema en primavera de 2020 con otros 6 sectores (aún en fabricación) que quedan por instalar en el lado positivo de CMS.

 

  

Fotografías.

  

Fotografía 1. Proceso de soldadura de las vigas de la estructura de apantallamiento en la Unidad de Fabricación y Apoyo a I+D.

  

Fotografía 2. Plegado de las chapas que forman las cajas de las cassettes de apantallamiento en la Unidad de Fabricación y Apoyo a I+D.

  

Fotografía 3. Parte del equipo que ha realizado el montaje de las estructuras de apantallamiento y las cassettes en la Nave 75 del CIEMAT.

  

Fotografía 4. Proceso de montaje de una de las estructuras de sujeción de los cassettes de apantallamiento durante las pruebas de la misma en la Nave 75 del CIEMAT.

  

Fotografía 5.Desplazamiento de las planchas de plomo que se insertan en las cassettes de apantallamiento durante su montaje en la Nave 75 del CIEMAT.

  

Fotografía 6. Imagen de la instalación de las cassettes de apantallamiento en el detector CMS del CERN.

  

Fotografía 7.  Imagen de la instalación de las cassettes de apantallamiento en el detector CMS del CERN.

 
Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS Construcción e instalación del sistema de apantallamiento de radiación en el detector CMS