揭示宇宙奥秘，3D打印冷却棒将提高反物质的可观察性

导读：2021年8月1日，南极熊获悉，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）项目将会在2022年恢复一项能够更精确地检测围观粒子路径的实验，这一切这要归功于金属3D打印管提供的高效冷却。

宇宙起源的大爆炸理论认为，在这一事件之后，应该立即生成等量的物质和反物质。然而，可观察到的宇宙似乎几乎完全由物质组成，而科学家们只成功地用粒子加速器生产了少量的反物质。两者之间是否存在不平衡，如果是的话，为什么？在大爆炸后的那几分之一秒里到底发生了什么？

荷兰国家亚原子物理研究所（Nikhef）试图通过参与LHCb实验来帮助回答这些问题。作为欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC，位于瑞士日内瓦）项目的一部分，这项实验通过捕捉普通b夸克和其反b夸克的必然结果来测量b夸克的衰变，因为它们是通过粒子加速器内的碰撞产生的。大型强子对撞机目前正在关闭维修，但当它明年重新开放时，大型强子对撞机b探测器将配备一个升级的跟踪器，能够更好地捕捉这些粒子；其改进的性能将至少部分归功于通过金属3D打印为该仪器提供的新的冷却解决方案。

通过更有效的冷却实现更好的分辨率

LHCb是附属于LHC的七个探测器之一，它由10个左右不同的子探测器组成，可以捕捉到关于粒子碰撞的各种信息。正如Nikhef网站所解释的那样：在某种程度上，探测器是显微镜，研究人员想要看到的细节越小，显微镜及其镜头就需要越大。困难在于，更大和更敏感的仪器运行时温度更高，而热量会引入干扰观察的 "噪音"。捕捉清晰的图像需要这些仪器保持低温。

△SciFi追踪器，LHCb实验中的SciFi（"闪烁光纤"）跟踪器使用的是光纤，当粒子与之发生相互作用时，光纤会发出光。由3D系统公司制造的棒子将冷却硅光电倍增器（SiPMs），将这种光转换为电信号。图片来源：CERN

这是Nikhef的闪烁纤维（SciFi）追踪器项目的领导者Antonio Pellegrino所面临的挑战。

追踪器项目的负责人Pellegrino说：“这是一个用于LHCb的新追踪装置，将揭示粒子在加速器中的路径。为了看到这些光子，你必须使用一个非常大的放大，但它也会放大任何背景。解决这个问题的方法是通过冷却相机。如果它足够冷，背景噪音就会大大减少，我们就能看到我们想要的东西。"

LHCb实验中必须保持冷却的具体部分是光子检测器条，它沿着大型强子对撞机的一部分运行约140米。"Pellegrino解释说："这条带子上的光子检测器芯片与你的相机手机中的芯片非常相似，只是更加敏感。如果保持足够的温度--大约40°C--该设备能够检测出表现为非常微弱的光的单个粒子。

Pellegrino在Nikhef的团队在3年多前就开始为光子探测器条的冷却提供解决方案工作。这些冷却条需要适合非常有限的空间，并沿探测器条的长度方向保持其平整度。薄壁是可取的，以尽量减少表面和氟化碳冷却剂之间的材料数量，但这些棒也需要承受至少7bar的压力而不泄漏。除了这些功能要求外，由政府资助的Nikhef还需要找到一个经济的解决方案，并能长期耐用。

该组织开发了一个它认为可行的冷却解决方案，但该设计在常规生产中过于昂贵和复杂。Pellegrino团队的首席工程师Rob Walet已经对聚合物3D打印有了一定的了解，在调查了一些金属3D打印选项后，决定与3D Systems的应用创新小组合作，该小组在比利时有一个客户创新中心。

规格决定了材料的选择

3D Systems公司对其3D打印冷却棒的能力很有信心，但要把设计从"功能性"变成"可3D打印"，还需要一些开发。Nikhef和3D Systems合作，通过有限元分析、物理原型和测试来完善设计。每根管子包含三个平行运行的通道，多个通道创造了更多的表面积和更大的湍流，以实现更好的冷却。这些管子还被设计成可以随着材料的膨胀和收缩而弯曲；利用金属3D打印技术，基本上可以在每个部件中建立一个"弹簧"，而无需任何额外的工作或组装。

△3D打印冷却棒，最终的冷却棒设计具有 "弹簧 "和支持结构，只限于两个区域。在3D Systems公司的DMP 350 Flex中，可以一次3D打印多个棒。图片来源：3D Systems

Nikhef和3D Systems公司知道，最终的棒材将用金属生产，但选择合适的材料最终取决于设计要求。在对不锈钢的几何形状进行原型设计后，3D Systems公司发现，以当时的打印参数，不可能在保证无泄漏操作的同时实现所需的薄壁。合作者没有满足于更厚的壁和降低冷却能力，而是将材料改为LaserForm TiGr32 (A)，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ThomasVerelst说："在打印过程中，钛的焊池是相当稳定的，而且当时的激光参数对这种材料来说是非常完善的。这些因素使3D Systems公司实现了所需的壁厚，仅0.25毫米。钛也可以焊接，这是冷却结构最终装配的要求。“

生产阶段

测试设计迭代和材料选择的原型设计很快显示，3D打印钛能够提供最终的冷却条。但是，进入生产阶段绝非一蹴而就。随着3D系统公司的每一次迭代，Nikhef进行了数月的测试，以确保这些部件能够长期防漏和耐用。制造长而薄的部件是另一个挑战。

Verelst解释说："我们必须以50微米的平面度实现一个非常长的零件，通常会铣削这类面孔，但在这里，这不是一个选择，因为壁厚太薄了。打印过程本身就有一些变化，所以夹住零件并进行铣削可能会产生太薄的部分。泄漏方面的风险太高了。我们必须在没有铣削后处理步骤的情况下使平面度符合规范。"

除了平整度方面的挑战，冷却棒在功能性冷却表面的某些区域也出现了收缩缺陷。Verelst解释说："冷却表面的这种'台阶'对冷却性能来说是有问题的，所以必须通过对抗CAD中的实际变形来消除它们。经过几个周期后，这些台阶被消除了，线条几乎看不到了。"

最终使用了一台3D Systems DMP Flex 350直接金属印刷机进行生产。为了获得最大的成功机会，263毫米长的冷却棒被垂直3D打印出来，这使得许多零件可以被装在一个构建板上，并将对支撑结构的需求降到最低。Verelst说，每根棒子只有两个地方有支撑，很容易被移除。零件在3D打印后被消除了应力，并用电火花线切割机从构建板上取下；压缩空气强制通过管子清除了任何松散的粉末。

△为了避免通过其薄壁引入泄漏，3D Systems知道它无法将冷却棒加工成公差。该公司调整了打印参数，并对变形进行了调整，以达到所需的平整度。图片来源：3D Systems

3D系统公司总共生产了300多根冷却棒，这些冷却棒已经得到了Nikhef的验证，目前正在大型强子对撞机上安装。Pellegrino在一月份表示，已经有一半的棒子被连接到了最终的冷却系统。能够将长段的冷却条打印成单一的组件，限制了冷却解决方案的整体零件数和对接头的需求，减少了泄漏的风险。根据压力测试，最终的3D打印冷却条预计至少可以使用10年。

利用SciFi追踪器的实验定于明年2022年开始，Pellegrino希望这个仪器将有助于揭示关于物质和反物质的新信息：“这是非常重要的基础研究，因为它影响到我们思考我们的宇宙和物理学的方式。这就是我们首先设立这个实验的原因。"