揭示宇宙奧秘，3D打印冷卻棒將提高反物質(zhì)的可觀察性

導(dǎo)讀：2021年8月1日，南極熊獲悉，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）項(xiàng)目將會在2022年恢復(fù)一項(xiàng)能夠更精確地檢測圍觀粒子路徑的實(shí)驗(yàn)，這一切這要?dú)w功于金屬3D打印管提供的高效冷卻。

宇宙起源的大爆炸理論認(rèn)為，在這一事件之后，應(yīng)該立即生成等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，可觀察到的宇宙似乎幾乎完全由物質(zhì)組成，而科學(xué)家們只成功地用粒子加速器生產(chǎn)了少量的反物質(zhì)。兩者之間是否存在不平衡，如果是的話，為什么？在大爆炸后的那幾分之一秒里到底發(fā)生了什么？

荷蘭國家亞原子物理研究所（Nikhef）試圖通過參與LHCb實(shí)驗(yàn)來幫助回答這些問題。作為歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC，位于瑞士日內(nèi)瓦）項(xiàng)目的一部分，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)通過捕捉普通b夸克和其反b夸克的必然結(jié)果來測量b夸克的衰變，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^粒子加速器內(nèi)的碰撞產(chǎn)生的。大型強(qiáng)子對撞機(jī)目前正在關(guān)閉維修，但當(dāng)它明年重新開放時(shí)，大型強(qiáng)子對撞機(jī)b探測器將配備一個升級的跟蹤器，能夠更好地捕捉這些粒子；其改進(jìn)的性能將至少部分歸功于通過金屬3D打印為該儀器提供的新的冷卻解決方案。

通過更有效的冷卻實(shí)現(xiàn)更好的分辨率

LHCb是附屬于LHC的七個探測器之一，它由10個左右不同的子探測器組成，可以捕捉到關(guān)于粒子碰撞的各種信息。正如Nikhef網(wǎng)站所解釋的那樣：在某種程度上，探測器是顯微鏡，研究人員想要看到的細(xì)節(jié)越小，顯微鏡及其鏡頭就需要越大。困難在于，更大和更敏感的儀器運(yùn)行時(shí)溫度更高，而熱量會引入干擾觀察的 "噪音"。捕捉清晰的圖像需要這些儀器保持低溫。

△SciFi追蹤器，LHCb實(shí)驗(yàn)中的SciFi（"閃爍光纖"）跟蹤器使用的是光纖，當(dāng)粒子與之發(fā)生相互作用時(shí)，光纖會發(fā)出光。由3D系統(tǒng)公司制造的棒子將冷卻硅光電倍增器（SiPMs），將這種光轉(zhuǎn)換為電信號。圖片來源：CERN

這是Nikhef的閃爍纖維（SciFi）追蹤器項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者Antonio Pellegrino所面臨的挑戰(zhàn)。

追蹤器項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Pellegrino說：“這是一個用于LHCb的新追蹤裝置，將揭示粒子在加速器中的路徑。為了看到這些光子，你必須使用一個非常大的放大，但它也會放大任何背景。解決這個問題的方法是通過冷卻相機(jī)。如果它足夠冷，背景噪音就會大大減少，我們就能看到我們想要的東西。"

LHCb實(shí)驗(yàn)中必須保持冷卻的具體部分是光子檢測器條，它沿著大型強(qiáng)子對撞機(jī)的一部分運(yùn)行約140米。"Pellegrino解釋說："這條帶子上的光子檢測器芯片與你的相機(jī)手機(jī)中的芯片非常相似，只是更加敏感。如果保持足夠的溫度--大約40°C--該設(shè)備能夠檢測出表現(xiàn)為非常微弱的光的單個粒子。

Pellegrino在Nikhef的團(tuán)隊(duì)在3年多前就開始為光子探測器條的冷卻提供解決方案工作。這些冷卻條需要適合非常有限的空間，并沿探測器條的長度方向保持其平整度。薄壁是可取的，以盡量減少表面和氟化碳冷卻劑之間的材料數(shù)量，但這些棒也需要承受至少7bar的壓力而不泄漏。除了這些功能要求外，由政府資助的Nikhef還需要找到一個經(jīng)濟(jì)的解決方案，并能長期耐用。

該組織開發(fā)了一個它認(rèn)為可行的冷卻解決方案，但該設(shè)計(jì)在常規(guī)生產(chǎn)中過于昂貴和復(fù)雜。Pellegrino團(tuán)隊(duì)的首席工程師Rob Walet已經(jīng)對聚合物3D打印有了一定的了解，在調(diào)查了一些金屬3D打印選項(xiàng)后，決定與3D Systems的應(yīng)用創(chuàng)新小組合作，該小組在比利時(shí)有一個客戶創(chuàng)新中心。

規(guī)格決定了材料的選擇

3D Systems公司對其3D打印冷卻棒的能力很有信心，但要把設(shè)計(jì)從"功能性"變成"可3D打印"，還需要一些開發(fā)。Nikhef和3D Systems合作，通過有限元分析、物理原型和測試來完善設(shè)計(jì)。每根管子包含三個平行運(yùn)行的通道，多個通道創(chuàng)造了更多的表面積和更大的湍流，以實(shí)現(xiàn)更好的冷卻。這些管子還被設(shè)計(jì)成可以隨著材料的膨脹和收縮而彎曲；利用金屬3D打印技術(shù)，基本上可以在每個部件中建立一個"彈簧"，而無需任何額外的工作或組裝。

△3D打印冷卻棒，最終的冷卻棒設(shè)計(jì)具有 "彈簧 "和支持結(jié)構(gòu)，只限于兩個區(qū)域。在3D Systems公司的DMP 350 Flex中，可以一次3D打印多個棒。圖片來源：3D Systems

Nikhef和3D Systems公司知道，最終的棒材將用金屬生產(chǎn)，但選擇合適的材料最終取決于設(shè)計(jì)要求。在對不銹鋼的幾何形狀進(jìn)行原型設(shè)計(jì)后，3D Systems公司發(fā)現(xiàn)，以當(dāng)時(shí)的打印參數(shù)，不可能在保證無泄漏操作的同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的薄壁。合作者沒有滿足于更厚的壁和降低冷卻能力，而是將材料改為LaserForm TiGr32 (A)，這是3D Systems為牙科、醫(yī)療和技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的一種鈦合金。

3D Systems應(yīng)用工程師ThomasVerelst說："在打印過程中，鈦的焊池是相當(dāng)穩(wěn)定的，而且當(dāng)時(shí)的激光參數(shù)對這種材料來說是非常完善的。這些因素使3D Systems公司實(shí)現(xiàn)了所需的壁厚，僅0.25毫米。鈦也可以焊接，這是冷卻結(jié)構(gòu)最終裝配的要求?！?/div>

生產(chǎn)階段

測試設(shè)計(jì)迭代和材料選擇的原型設(shè)計(jì)很快顯示，3D打印鈦能夠提供最終的冷卻條。但是，進(jìn)入生產(chǎn)階段絕非一蹴而就。隨著3D系統(tǒng)公司的每一次迭代，Nikhef進(jìn)行了數(shù)月的測試，以確保這些部件能夠長期防漏和耐用。制造長而薄的部件是另一個挑戰(zhàn)。

Verelst解釋說："我們必須以50微米的平面度實(shí)現(xiàn)一個非常長的零件，通常會銑削這類面孔，但在這里，這不是一個選擇，因?yàn)楸诤裉×?。打印過程本身就有一些變化，所以夾住零件并進(jìn)行銑削可能會產(chǎn)生太薄的部分。泄漏方面的風(fēng)險(xiǎn)太高了。我們必須在沒有銑削后處理步驟的情況下使平面度符合規(guī)范。"

除了平整度方面的挑戰(zhàn)，冷卻棒在功能性冷卻表面的某些區(qū)域也出現(xiàn)了收縮缺陷。Verelst解釋說："冷卻表面的這種'臺階'對冷卻性能來說是有問題的，所以必須通過對抗CAD中的實(shí)際變形來消除它們。經(jīng)過幾個周期后，這些臺階被消除了，線條幾乎看不到了。"

最終使用了一臺3D Systems DMP Flex 350直接金屬印刷機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。為了獲得最大的成功機(jī)會，263毫米長的冷卻棒被垂直3D打印出來，這使得許多零件可以被裝在一個構(gòu)建板上，并將對支撐結(jié)構(gòu)的需求降到最低。Verelst說，每根棒子只有兩個地方有支撐，很容易被移除。零件在3D打印后被消除了應(yīng)力，并用電火花線切割機(jī)從構(gòu)建板上取下；壓縮空氣強(qiáng)制通過管子清除了任何松散的粉末。

△為了避免通過其薄壁引入泄漏，3D Systems知道它無法將冷卻棒加工成公差。該公司調(diào)整了打印參數(shù)，并對變形進(jìn)行了調(diào)整，以達(dá)到所需的平整度。圖片來源：3D Systems

3D系統(tǒng)公司總共生產(chǎn)了300多根冷卻棒，這些冷卻棒已經(jīng)得到了Nikhef的驗(yàn)證，目前正在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上安裝。Pellegrino在一月份表示，已經(jīng)有一半的棒子被連接到了最終的冷卻系統(tǒng)。能夠?qū)㈤L段的冷卻條打印成單一的組件，限制了冷卻解決方案的整體零件數(shù)和對接頭的需求，減少了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)壓力測試，最終的3D打印冷卻條預(yù)計(jì)至少可以使用10年。

利用SciFi追蹤器的實(shí)驗(yàn)定于明年2022年開始，Pellegrino希望這個儀器將有助于揭示關(guān)于物質(zhì)和反物質(zhì)的新信息：“這是非常重要的基礎(chǔ)研究，因?yàn)樗绊懙轿覀兯伎嘉覀兊挠钪婧臀锢韺W(xué)的方式。這就是我們首先設(shè)立這個實(shí)驗(yàn)的原因。"