揭示宇宙奧秘,3D打印冷卻棒將提高反物質(zhì)的可觀察性
魔猴君 行業(yè)資訊 1185天前
據(jù)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,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)構最終裝配的要求?!?/span>
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建板上,并將對支撐結(jié)構的需求降到最低。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。"
來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shichangyanjiu/40547.html