大爆炸理論假設：經(jīng)過大爆炸后，應該立即出現(xiàn)等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，我們所能觀測到的宇宙似乎幾乎完全由物質(zhì)組成，雖然科學家們已經(jīng)成功地用粒子加速器制造出了少量的反物質(zhì)。這兩者之間是否存在不平衡？如果存在，原因是什么呢？在大爆炸之后的那幾分之一秒內(nèi)，究竟發(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實驗來解答這些問題。這個實驗是位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）的一部分，通過捕捉普通的b夸克及其必然產(chǎn)生的反b夸克，來測量這種“美”（即：b夸克）的衰變，因為它們是通過粒子加速器內(nèi)部的碰撞產(chǎn)生的。LHC目前處于關閉維護狀態(tài)，但明年重新開啟時，LHCb探測器將會配備一款升級的追蹤器，能夠更好地捕捉這些粒子。這款追蹤器的性能提高，某種程度上應歸功于金屬3D打印技術提供的一種新的冷卻解決方案。

通過更有效的冷卻獲得更好的分辨率

LHCb是LHC七個探測器中的一個，由大約10個不同的子探測器組成，捕獲關于粒子碰撞的各種信息。正如Nikhef網(wǎng)站上所解釋的那樣：“某種程度上，探測器其實也是顯微鏡——研究人員想要看到的東西越小，顯微鏡及其透鏡就需要越大?！彪y就難在：更大、更靈敏的儀器運行時溫度更高，而熱量會帶來干擾觀測的“噪音”。要想獲得清晰的圖像，這些儀器必須保持低溫。

LHCb實驗中的SciFi光纖追蹤器，用的是粒子與光纖相互作用時會發(fā)光的光纖。由3D Systems制造的金屬棒可以冷卻這種能將光轉(zhuǎn)化為電信號的硅光電倍增管（SiPMs）。（圖片來源：歐洲核子研究中心）

這就是Antonio Pellegrino所面臨的挑戰(zhàn)，他在Nikhef負責SciFi。這是一種用于LHCb的新型追蹤裝置，可以揭示粒子在加速器中的路徑?！盀榱丝吹竭@些光子，必須使用放大倍數(shù)非常大的裝置。但是它也會放大背景?！盤ellegrino說：“要解決這個問題，必須冷卻相機。只要夠冷，就能顯著降低背景噪音，讓我們看到想看的目標?！?/p>

在LHCb實驗中，必須保持冷卻的一個特定部分，就是光子探測器條帶。它需要沿著大型強子對撞機上的一個部分運行約140米。Pellegrino解釋說：“這條帶子上的光子探測器芯片與你的智能手機上的芯片非常相似，只是更加敏感?！敝灰３肿銐虻偷臏囟取蠹s40°C——該設備就能夠探測到以非常微弱的光表現(xiàn)出來的單個粒子。

Pellegrino在Nikhef的團隊3年前就開始研究光子探測器條帶的冷卻方案了。需要將這些冷卻棒裝入一個非常有限的空間，然后沿著探測器條帶平穩(wěn)運行。冷卻棒最好采用薄壁設計，以盡量減少材料之間的表面和氟化碳冷卻劑，但也必須能夠承受至少7巴的壓力而不泄漏。為了滿足這些功能需求，由政府資助的Nikhef機構(gòu)需要找到一個可持續(xù)發(fā)展的、經(jīng)濟的解決方案。

他們開發(fā)了一種冷卻方案，本以為是可行的，但是它過于昂貴、復雜，無法投入常規(guī)生產(chǎn)。Pellegrino團隊的首席工程師Rob Walet對聚合物3D打印有一定了解，在調(diào)查了一些金屬3D打印方案后，他決定與3DSystems應用創(chuàng)新集團一起合作開發(fā)。該小組在比利時有一個客戶創(chuàng)新中心。

規(guī)格決定材料選擇

當Pellegrino團隊帶著設計來到3D Systems應用創(chuàng)新集團處時，他們的需求很簡單：“這就是我們想要的。你們能實現(xiàn)嗎？”

3D Systems對其3D打印能力很有信心，但還需要一些研發(fā)，才能使其設計從“功能性”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱?D打印”。Nikhef和3D Systems合作，通過有限元分析、物理原型和測試來完善其設計。每條冷卻棒包含三個并列運行的通道。這種多通道能夠?qū)崿F(xiàn)更大的表面積，更大的湍流以及更好的冷卻效果。這些管道還能隨材料的膨脹、收縮而彎曲。使用金屬3D打印技術，無需任何額外的工作或組裝，就可以給每個部件裝上一個“彈簧”。

最終的冷卻棒設計僅在兩個區(qū)域采用“彈簧”和支撐結(jié)構(gòu)。應用3D Systems的DMP 350 Flex軟件，可以一次性打印多個冷卻棒。（圖片來源：3D Systems）

Nikhef和3D Systems知道最終冷卻棒將采用金屬材料，但最終選擇哪種材料取決于設計要求。在用不銹鋼制作出模型后，3D Systems發(fā)現(xiàn)，在當時可用的打印參數(shù)下，不可能既實現(xiàn)理想的薄壁，同時又保證無泄漏操作。他們不愿意向厚壁和降低冷卻能力低頭，于是改用LaserForm TiGr32 (A)材料。它是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Thomas Verelst說：“在打印過程中，鈦的熔池相當穩(wěn)定，當時的激光參數(shù)也非常優(yōu)良?！北诤駜H為0.25mm。鈦還可以被焊接，能夠滿足這套冷卻架構(gòu)的最終組裝要求。

投入生產(chǎn)

針對設計迭代和材料選擇進行原型測試后，他們發(fā)現(xiàn)3D打印鈦能夠?qū)崿F(xiàn)最終的冷卻棒性能。但要投入生產(chǎn)，卻并非易事。Nikhef對3D Systems所做的每一次迭代設計，都做了幾個月的測試，以確保它們能夠長期防漏、耐用。此外，還需要面對另一個挑戰(zhàn)：造出又長又薄的冷卻棒。

Verelst解釋說：“我們必須造出一條非常長的零部件，平整度達到50mm。通常我們會打磨表面，但這種零件太薄，不能打磨。打印流程本身會產(chǎn)生一些變量，所以如果將這個零件夾緊然后銑削，就有可能使某些區(qū)域削得太薄，泄漏的風險太高。我們必須在不進行銑削后處理的前提下，將平整度控制在規(guī)格范圍內(nèi)?！?/p>

3D Systems明白冷卻棒加工不能超出公差范圍，才能避免薄壁泄漏。所以他們調(diào)整了打印參數(shù)和變形范圍，以達到要求的平整度。圖片來源：3D Systems

除了平整度挑戰(zhàn)外，冷卻棒在某些功能冷卻表面區(qū)還出現(xiàn)了收縮缺陷。Verelst解釋說：“冷卻表面的這些缺陷會影響冷卻性能，因此必須通過抵消CAD中的實際變形來消除。幾個循環(huán)后，缺陷被移除，線條幾乎看不見了?！?/p>

最終，3DSystems的DMP Flex 350直接金屬打印機被投入生產(chǎn)。為了盡可能減少失敗幾率，集團采用垂直3D方案打印這款長達263mm的冷卻棒，將許多部件打包到一個構(gòu)造板上，將對支撐結(jié)構(gòu)的需求降至最低。Verelst介紹說，每條冷卻棒只有兩處有支撐物，很容易就能移開。3D打印結(jié)束后，再用電火花線切割從構(gòu)造板上移除零件；壓縮空氣通過管道清除所有散落的粉末。

3D Systems總共生產(chǎn)了300多根冷卻棒，都已通過了Nikhef的驗證，目前正在大型強子對撞機上安裝。Pellegrino說：“已有一半的冷卻棒與最終的冷卻系統(tǒng)相連。”將這么長的冷卻棒以一個單一組件的形式打印出來，減少了冷卻解決方案的整體部件數(shù)量，也減少了對接頭的需求，降低了泄漏的風險。根據(jù)壓力測試，最終完成的3D打印冷卻棒預計可以持續(xù)使用至少10年。

這項應用了SciFi追蹤器的實驗將于2022年開始，Pellegrino希望這臺儀器帶來更多關于物質(zhì)和反物質(zhì)的新消息。“這是一項基礎研究，”他說：“它非常重要，因為它將影響我們對宇宙和物理的看法。這就是我們啟動這個實驗的原因?！?/p>