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3D打印冷却棒将提高反物质的可观测性

来源:荣格-《国际金属加工商情》 发布时间:2021-09-03 964
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欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)将于2022年重新开启一项实验,它能够更好地检测粒子的路径。其中,金属3D打印的高效冷却棒功劳显著。

媚色倾国 大爆炸理论假设:经过大爆炸后,应该立即出现等量的物质和反物质。然而,我们所能观测到的宇宙似乎几乎完全由物质组成,虽然科学家们已经成功地用粒子加速器制造出了少量的反物质。这两者之间是否存在不平衡?如果存在,原因是什么呢?在大爆炸之后的那几分之一秒内,究竟发生了什么?


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荷兰国家亚原子物理研究所(Nikhef)试图通过参与LHCb实验来解答这些问题。这个实验是位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)的一部分,通过捕捉普通的b夸克及其必然产生的反b夸克,来测量这种“美”(即:b夸克)的衰变,因为它们是通过粒子加速器内部的碰撞产生的。LHC目前处于关闭维护状态,但明年重新开启时,LHCb探测器将会配备一款升级的追踪器,能够更好地捕捉这些粒子。这款追踪器的性能提高,某种程度上应归功于金属3D打印技术提供的一种新的冷却解决方案。

通过更有效的冷却获得更好的分辨率


LHCb是LHC七个探测器中的一个,由大约10个不同的子探测器组成,捕获关于粒子碰撞的各种信息。正如Nikhef网站上所解释的那样:“某种程度上,探测器其实也是显微镜——研究人员想要看到的东西越小,显微镜及其透镜就需要越大。”难就难在:更大、更灵敏的仪器运行时温度更高,而热量会带来干扰观测的“噪音”。要想获得清晰的图像,这些仪器必须保持低温。


这就是Antonio Pellegrino所面临的挑战,他在Nikhef负责SciFi。这是一种用于LHCb的新型追踪装置,可以揭示粒子在加速器中的路径。“为了看到这些光子,必须使用放大倍数非常大的装置。但是它也会放大背景。”Pellegrino说,“要解决这个问题,必须冷却相机。只要够冷,就能显著降低背景噪音,让我们看到想看的目标。”


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在LHCb实验中,必须保持冷却的一个特定部分,就是光子探测器条带。它需要沿着大型强子对撞机上的一个部分运行约140米。Pellegrino解释说:“这条带子上的光子探测器芯片与你的智能手机上的芯片非常相似,只是更加敏感。”只要保持足够低的温度——大约40°C——该设备就能够探测到以非常微弱的光表现出来的单个粒子。


Pellegrino团队3年前就开始研究光子探测器条带的冷却方案。他们认为需要将冷却棒装入一个非常有限的空间,然后沿着探测器条带平稳运行。冷却棒最好采用薄壁设计,以尽量减少材料之间的表面和氟化碳冷却剂,但也必须能够承受至少7巴的压力而不泄漏。为了满足这些功能需求,由政府资助的Pellegrino团队需要找到一个可持续的、经济的解决方案。


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他们原本开发了一种冷却方案,本以为是可行的,但是它过于昂贵、复杂,无法投入常规生产。Pellegrino团队的首席工程师Rob Walet对聚合物3D打印有一定了解,在调查了一些金属3D打印方案后,他决定与3DSystems公司一起合作开发。该公司在比利时有一个客户创新中心。

规格决定材料选择


当Pellegrino团队带着设计来到3D Systems公司时,他们的需求很简单:“这就是我们想要的。你们能实现吗?”


3D Systems对其3D打印能力很有信心,但还需要一些研发,才能使其设计从“功能性”转变为“可3D打印”。Nikhef和3D Systems合作,通过有限元分析、物理原型和测试来完善其设计。每条冷却棒包含三个并列运行的通道。这种多通道能够实现更大的表面积,更大的湍流以及更好的冷却效果。这些管道还能随材料的膨胀、收缩而弯曲。使用金属3D打印技术,无需任何额外的工作或组装,就可以给每个部件装上一个“弹簧”。
Nikhef和3D Systems知道最终冷却棒将采用金属材料,但最终选择哪种材料取决于设计要求。在用不锈钢制作出模型后,3D Systems发现,在当前可用的打印参数下,不可能既实现理想的薄壁,同时又保证无泄漏操作。他们不愿意向厚壁和降低冷却能力低头,于是改用LaserForm TiGr32 (A)材料。这是3D Systems为牙科、医疗和技术应用开发的一种钛合金。


3D Systems应用工程师Thomas Verelst说:“在打印过程中,钛的熔池相当稳定,激光参数也非常优良。”壁厚仅为0.25mm。钛还可以被焊接,能够满足这套冷却架构的最终组装要求。

投入生产


针对设计迭代和材料选择进行原型测试后,他们发现3D打印钛能够实现最终的冷却棒性能。但要投入生产,却并非易事。Nikhef对3D Systems所做的每一次迭代设计,都做了几个月的测试,以确保它们能够长期防漏、耐用。不久,另一个挑战出现了:如何造出又长又薄的冷却棒?


Verelst解释说:“我们必须造出一条非常长的零部件,平整度达到50mm。通常我们会打磨表面,但这种零件太薄,不能打磨。打印流程本身会产生一些变量,所以如果将这个零件夹紧然后铣削,就有可能使某些区域削得太薄,泄漏的风险太高。我们必须在不进行铣削后处理的前提下,将平整度控制在规格范围内。”


除了平整度挑战外,冷却棒在某些功能冷却表面区还出现了收缩缺陷。Verelst解释说:“冷却表面的这些缺陷会影响冷却性能,因此必须通过抵消CAD中的实际变形来消除。几个循环后,缺陷被移除,线条几乎看不见了。”


最终,3DSystems的DMP Flex 350直接金属打印机被投入生产。为了尽可能减少失败几率,集团采用垂直3D方案打印这款长达263mm的冷却棒,将许多部件打包到一个构造板上,将对支撑结构的需求降至最低。


Verelst介绍说,每条冷却棒只有两处有支撑物,很容易就能移开。3D打印结束后,再用电火花线切割从构造板上移除零件;压缩空气通过管道清除所有散落的粉末。


3D Systems总共生产了300多根冷却棒,都已通过了Nikhef的验证,目前正在大型强子对撞机上安装。Pellegrino说:“已有一半的冷却棒与最终的冷却系统相连。”将这么长的冷却棒以一个单一组件的形式打印出来,减少了冷却解决方案的整体部件数量,也减少了对接头的需求,降低了泄漏的风险。根据压力测试,最终完成的3D打印冷却棒预计可以持续使用至少10年。


这项应用了SciFi追踪器的实验将于2022年开始,Pellegrino希望这台仪器带来更多关于物质和反物质的新消息。“这是一项基础研究,”他说:“它非常重要,因为它将影响我们对宇宙和物理的看法。这就是我们启动这个实验的原因。”


来源:荣格-《国际金属加工商情》


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