揭示宇宙奧秘,，3D打印冷卻棒將提高反物質(zhì)的可觀察性

導讀：2021年8月1日，南極熊獲悉,，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）項目將會在2022年恢復一項能夠更精確地檢測圍觀粒子路徑的實驗,，這一切這要歸功于金屬3D打印管提供的高效冷卻。

宇宙起源的大爆炸理論認為,，在這一事件之后,，應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實驗來幫助回答這些問題,。作為歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC，位于瑞士日內(nèi)瓦）項目的一部分,，這項實驗通過捕捉普通b夸克和其反b夸克的必然結(jié)果來測量b夸克的衰變,，因為它們是通過粒子加速器內(nèi)的碰撞產(chǎn)生的。大型強子對撞機目前正在關閉維修,，但當它明年重新開放時,，大型強子對撞機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行時溫度更高,，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實驗中的SciFi（"閃爍光纖"）跟蹤器使用的是光纖,，當粒子與之發(fā)生相互作用時，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）追蹤器項目的領導者Antonio Pellegrino所面臨的挑戰(zhàn),。

追蹤器項目的負責人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,。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實驗中必須保持冷卻的具體部分是光子檢測器條,，它沿著大型強子對撞機的一部分運行約140米。"Pellegrino解釋說："這條帶子上的光子檢測器芯片與你的相機手機中的芯片非常相似,，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的團隊在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)濟的解決方案,，并能長期耐用。

該組織開發(fā)了一個它認為可行的冷卻解決方案,，但該設計在常規(guī)生產(chǎn)中過于昂貴和復雜,。Pellegrino團隊的首席工程師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打印選項后,，決定與3D Systems的應用創(chuàng)新小組合作,，該小組在比利時有一個客戶創(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，但要把設計從"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計,。每根管子包含三個平行運行的通道，多個通道創(chuàng)造了更多的表面積和更大的湍流,，以實現(xiàn)更好的冷卻,。這些管子還被設計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,，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,，最終的冷卻棒設計具有 "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計要求。在對不銹鋼的幾何形狀進行原型設計后,，3D Systems公司發(fā)現(xiàn),，以當時的打印參數(shù)，不可能在保證無泄漏操作的同時實現(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)療和技術應用開發(fā)的一種鈦合金,。

3D Systems應用工程師ThomasVerelst說："在打印過程中，鈦的焊池是相當穩(wěn)定的,，而且當時的激光參數(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�,！�

生產(chǎn)階段

測試設計迭代和材料選擇的原型設計很快顯示,，3D打印鈦能夠提供最終的冷卻條。但是，進入生產(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，因為壁厚太薄了,。打印過程本身就有一些變化,，所以夾住零件并進行銑削可能會產(chǎn)生太薄的部分。泄漏方面的風險太高了,。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直接金屬印刷機進行生產(chǎn),。為了獲得最大的成功機會,，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打印后被消除了應力，并用電火花線切割機從構(gòu)建板上取下,；壓縮空氣強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),，并對變形進行了調(diào)整，以達到所需的平整度,。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的驗證，目前正在大型強子對撞機上安裝。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,，減少了泄漏的風險,。根據(jù)壓力測試，最終的3D打印冷卻條預計至少可以使用10年,。

利用SciFi追蹤器的實驗定于明年2022年開始,，Pellegrino希望這個儀器將有助于揭示關于物質(zhì)和反物質(zhì)的新信息：“這是非常重要的基礎研究，因為它影響到我們思考我們的宇宙和物理學的方式,。這就是我們首先設立這個實驗的原因,。"