3D打印如何幫助CERN科學(xué)家升級世界上最大的粒子加速器

來源：中國核技術(shù)網(wǎng)

為大型強子對撞機(jī)制造微小，高度復(fù)雜的組件絕非易事。CERN的科學(xué)家找到了3D打印的解決方案。
在過去的五年中，安東尼奧·佩萊格里諾(Antonio Pellegrino)一直在從事高壓工作：科學(xué)家正在領(lǐng)導(dǎo)對功能最強大的粒子加速器進(jìn)行升級，該粒子加速器位于法瑞邊界歐洲核子研究組織（CERN）的下方一百米。

通常被稱為大型強子對撞機(jī)(LHC)，該加速器是一個27公里長的環(huán)，其中質(zhì)子和電子等粒子彼此高速投射，重現(xiàn)了十分之一秒的存在條件。大爆炸之后–加速器內(nèi)裝有各種高精度探測器，所有這些都可供現(xiàn)代科學(xué)家觀察。

大型強子對撞機(jī)在2015年被暫停，以供工程師和醫(yī)生尋找提高加速器探測器精度的方法。最終目標(biāo)?不僅要了解問題，而且要對宇宙的起源有更好的見識。

為此，佩萊格里諾(Pellegrino)求助于一項目前用于設(shè)計從食品，時尚到人體細(xì)胞的產(chǎn)品的技術(shù)：3D打印。由于與技術(shù)公司3D Systems的合作，LHC的某些部分已經(jīng)從3D打印機(jī)中脫穎而出，作為加速器探測器冷卻系統(tǒng)設(shè)計的一部分。至關(guān)重要的是，印刷零件可以滿足薄型組件的嚴(yán)格要求，而又不影響回彈力-這是傳統(tǒng)手工工藝幾乎不可能滿足的條件。

Pellegrino表示：“問題的有趣組合導(dǎo)致我們進(jìn)行3D打印?！?“我們花了兩年的時間試圖制造出滿足我們要求的原型，才意識到它太費力了，而且再現(xiàn)性不夠。那時候我們開始考慮也許3D打印可能是我們的選擇。”

通過選擇，3D打印成為解決方案。3D Systems的打印機(jī)成功用于生產(chǎn)極輕的鈦棒，其寬度為1.6毫米，壁厚為0.1毫米。這些條將安裝在檢測器上，并將用于將系統(tǒng)冷卻至-40°C，以確保結(jié)果不會因熱干擾而改變。

佩萊格里諾(Pellegrino)的工作專注于特定類型的LHC檢測器，該檢測器用于一項名為大型強子對撞機(jī)美女(LHCb)實驗的研究。這項研究著眼于一種叫做美夸克的粒子，以了解物質(zhì)與其神秘的對應(yīng)物反物質(zhì)之間的區(qū)別。反物質(zhì)是在宇宙原始時期與粒子并存的反粒子，如今這種反粒子嚴(yán)格地在專家的范圍內(nèi)產(chǎn)生實驗室。

“物質(zhì)和反物質(zhì)在平等的基礎(chǔ)上開始，但是今天，我們只有一種類型。那么另一種類型又去了哪里呢?” 問佩萊格里諾。

為了確切地回答這個問題，大型強子對撞機(jī)產(chǎn)生了數(shù)十億個美容夸克粒子，以及與之相當(dāng)?shù)谋环Q為反美夸克的反物質(zhì)，它們在大爆炸之后都是很常見的。簡而言之，LHCb檢測器的作用包括記錄有趣的粒子編排，這些編排是在產(chǎn)生美麗和反美夸克并隨后在LHC內(nèi)部衰減時發(fā)生的。

夸克是不穩(wěn)定的且壽命短：在眨眼之間，它們會分解成其他顆粒。觀察這一過程可以為科學(xué)家提供線索，說明為什么物質(zhì)似乎戰(zhàn)勝了反物質(zhì)，并且從長遠(yuǎn)來看，可以更好地理解宇宙的創(chuàng)造。

佩萊格里諾說：“物質(zhì)和反物質(zhì)的行為之間的差異很小，要觀察它，就需要越來越好的儀器?！?“為此，我們希望構(gòu)建一個更好的檢測器。您可以將其視為一張照片-您希望看到越來越清晰的圖像。這就是它的意義。這就是為什么我們要進(jìn)行如此巨大的技術(shù)升級。”