據(jù)悉，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）項(xiàng)目將會(huì)在2022年恢復(fù)一項(xiàng)能夠更精確地檢測(cè)圍觀(guān)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(guān)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(huà)，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(guó)家亞原子物理研究所（Nikhef）試圖通過(guò)參與LHCb實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助回答這些問(wèn)題。作為歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)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(guò)捕捉普通b夸克和其反b夸克的必然結(jié)果來(lái)測(cè)量b夸克的衰變，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)粒子加速器內(nèi)的碰撞產(chǎn)生的。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)目前正在關(guān)閉維修，但當(dāng)它明年重新開(kāi)放時(shí)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)b探測(cè)器將配備一個(gè)升級(jí)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(guò)金屬3D打印為該儀器提供的新的冷卻解決方案。

通過(guò)更有效的冷卻實(shí)現(xiàn)更好的分辨率

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(shuō)：“這是一個(gè)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(gè)非常大的放大，但它也會(huì)放大任何背景。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是通過(guò)冷卻相機(jī)。如果它足夠冷，背景噪音就會(huì)大大減少，我們就能看到我們想要的東西。"

Pellegrino在Nikhef的團(tuán)隊(duì)在3年多前就開(kāi)始為光子探測(cè)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(cè)器條的長(zhǎng)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(gè)經(jīng)濟(jì)的解決方案，并能長(zhǎng)期耐用。

該組織開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(guò)于昂貴和復(fù)雜。Pellegrino團(tuán)隊(duì)的首席工程師Rob Walet已經(jīng)對(duì)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(gè)客戶(hù)創(chuàng)新中心。

規(guī)格決定了材料的選擇

生產(chǎn)階段

Verelst解釋說(shuō)："我們必須以50微米的平面度實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常長(zhǎng)的零件，通常會(huì)銑削這類(lèi)面孔，但在這里，這不是一個(gè)選擇，因?yàn)楸诤裉×恕４蛴∵^(guò)程本身就有一些變化，所以?shī)A住零件并進(jìn)行銑削可能會(huì)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(méi)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(shuō)："冷卻表面的這種臺(tái)階對(duì)冷卻性能來(lái)說(shuō)是有問(wèn)題的，所以必須通過(guò)對(duì)抗CAD中的實(shí)際變形來(lái)消除它們。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后，這些臺(tái)階被消除了，線(xiàn)條幾乎看不到了。"

利用SciFi追蹤器的實(shí)驗(yàn)定于明年2022年開(kāi)始，Pellegrino希望這個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)的原因。"