大爆炸理論假設(shè)：經(jīng)過(guò)大爆炸后，應(yīng)該立即出現(xiàn)等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，我們所能觀(guān)測(cè)到的宇宙似乎幾乎完全由物質(zhì)組成，雖然科學(xué)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(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)解答這些問(wèn)題。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的一部分，通過(guò)捕捉普通的b夸克及其必然產(chǎn)生的反b夸克，來(lái)測(cè)量這種“美”（即：b夸克）的衰變，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)粒子加速器內(nèi)部的碰撞產(chǎn)生的。LHC目前處于關(guān)閉維護(hù)狀態(tài)，但明年重新開(kāi)啟時(shí)，LHCb探測(cè)器將會(huì)配備一款升級(jí)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(yīng)歸功于金屬3D打印技術(shù)提供的一種新的冷卻解決方案。

通過(guò)更有效的冷卻獲得更好的分辨率

LHCb是LHC七個(gè)探測(cè)器中的一個(gè)，由大約10個(gè)不同的子探測(cè)器組成，捕獲關(guān)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(cè)器其實(shí)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。”難就難在：更大、更靈敏的儀器運(yùn)行時(shí)溫度更高，而熱量會(huì)帶來(lái)干擾觀(guān)測(cè)的“噪音”。要想獲得清晰的圖像，這些儀器必須保持低溫。

■LHCb實(shí)驗(yàn)中的SciFi光纖追蹤器，用的是粒子與光纖相互作用時(shí)會(huì)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(hào)的硅光電倍增管（SiPMs）（圖片來(lái)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(fù)責(zé)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(huì)放大背景?！盤(pán)ellegrino說(shuō)：“要解決這個(gè)問(wèn)題，必須冷卻相機(jī)。只要夠冷，就能顯著降低背景噪音，讓我們看到想看的目標(biāo)?！?/p>

在LHCb實(shí)驗(yàn)中，必須保持冷卻的一個(gè)特定部分，就是光子探測(cè)器條帶。它需要沿著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的一個(gè)部分運(yùn)行約140米。Pellegrino解釋說(shuō)：“這條帶子上的光子探測(cè)器芯片與你的智能手機(jī)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(shè)備就能夠探測(cè)到以非常微弱的光表現(xiàn)出來(lái)的單個(gè)粒子。

Pellegrino在Nikhef的團(tuán)隊(duì)3年前就開(kāi)始研究光子探測(cè)器條帶的冷卻方案了。需要將這些冷卻棒裝入一個(gè)非常有限的空間，然后沿著探測(cè)器條帶平穩(wěn)運(yùn)行。冷卻棒最好采用薄壁設(shè)計(jì)，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(mǎn)足這些功能需求，由政府資助的Nikhef機(jī)構(gòu)需要找到一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

他們開(kāi)發(fā)了一種冷卻方案，本以為是可行的，但是它過(guò)于昂貴、復(fù)雜，無(wú)法投入常規(guī)生產(chǎn)。Pellegrino團(tuán)隊(duì)的首席工程師Rob Walet對(duì)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3D Systems一起合作開(kāi)發(fā)，后者在比利時(shí)有一個(gè)客戶(hù)創(chuàng)新中心。

規(guī)格決定材料選擇

當(dāng)Pellegrino團(tuán)隊(duì)帶著設(shè)計(jì)來(lái)到3D Systems公司時(shí)，他們的需求很簡(jiǎn)單：“這就是我們想要的。你們能實(shí)現(xiàn)嗎？”

3D Systems對(duì)其3D打印能力很有信心，但還需要一些研發(fā)，才能使其設(shè)計(jì)從“功能性”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱?D打印”。Nikhef和3D Systems合作，通過(guò)有限元分析、物理原型和測(cè)試來(lái)完善其設(shè)計(jì)。每條冷卻棒包含三個(gè)并列運(yùn)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(shù)，無(wú)需任何額外的工作或組裝，就可以給每個(gè)部件裝上一個(gè)“彈簧”。

■最終的冷卻棒設(shè)計(jì)僅在兩個(gè)區(qū)域采用“彈簧”和支撐結(jié)構(gòu)。應(yīng)用3D Systems的DMP 350 Flex軟件，可以一次性打印多個(gè)冷卻棒（圖片來(lái)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(shè)計(jì)要求。在用不銹鋼制作出模型后，3D Systems發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)可用的打印參數(shù)下，不可能既實(shí)現(xiàn)理想的薄壁，同時(shí)又保證無(wú)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(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一種鈦合金。

3D Systems應(yīng)用工程師Thomas Verelst說(shuō)：“在打印過(guò)程中，鈦的熔池相當(dāng)穩(wěn)定，當(dāng)時(shí)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(mǎn)足這套冷卻架構(gòu)的最終組裝要求。

投入生產(chǎn)

針對(duì)設(shè)計(jì)迭代和材料選擇進(jìn)行原型測(cè)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(duì)3D Systems所做的每一次迭代設(shè)計(jì)，都做了幾個(gè)月的測(cè)試，以確保它們能夠長(zhǎng)期防漏、耐用。此外，還需要面對(duì)另一個(gè)挑戰(zhàn)：造出又長(zhǎng)又薄的冷卻棒。

Verelst解釋說(shuō)：“我們必須造出一條非常長(zhǎng)的零部件，平整度達(dá)到50mm。通常我們會(huì)打磨表面，但這種零件太薄，不能打磨。打印流程本身會(huì)產(chǎn)生一些變量，所以如果將這個(gè)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(fēng)險(xiǎn)太高。我們必須在不進(jìn)行銑削后處理的前提下，將平整度控制在規(guī)格范圍內(nèi)。”

■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(dá)到要求的平整度（圖片來(lái)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(shuō)：“冷卻表面的這些缺陷會(huì)影響冷卻性能，因此必須通過(guò)抵消CAD中的實(shí)際變形來(lái)消除。幾個(gè)循環(huán)后，缺陷被移除，線(xiàn)條幾乎看不見(jiàn)了?！?/p>

最終，3D Systems的DMP Flex 350直接金屬打印機(jī)被投入生產(chǎn)。為了盡可能減少失敗幾率，3D Systems采用垂直3D方案打印這款長(zhǎng)達(dá)263mm的冷卻棒，將許多部件打包到一個(gè)構(gòu)造板上，將對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求降至最低。Verelst介紹說(shuō)，每條冷卻棒只有兩處有支撐物，很容易就能移開(kāi)。3D打印結(jié)束后，再用電火花線(xiàn)切割從構(gòu)造板上移除零件；壓縮空氣通過(guò)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(guò)了Nikhef的驗(yàn)證，目前正在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上安裝。Pellegrino說(shuō)：“已有一半的冷卻棒與最終的冷卻系統(tǒng)相連?！睂⑦@么長(zhǎng)的冷卻棒以一個(gè)單一組件的形式打印出來(lái)，減少了冷卻解決方案的整體部件數(shù)量，也減少了對(duì)接頭的需求，降低了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)壓力測(cè)試，最終完成的3D打印冷卻棒預(yù)計(jì)可以持續(xù)使用至少10年。

這項(xiàng)應(yīng)用了SciFi追蹤器的實(shí)驗(yàn)將于2022年開(kāi)始，Pellegrino希望這臺(tái)儀器帶來(lái)更多關(guān)于物質(zhì)和反物質(zhì)的新消息?！斑@是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，”他說(shuō)：“它非常重要，因?yàn)樗鼘⒂绊懳覀儗?duì)宇宙和物理的看法。這就是我們啟動(dòng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原因?！?/p>