媚色傾(qing) 國 大爆炸理論假設：經過大爆炸後，應該立即出現等量的物質和反物質。然而，我們(men) 所能觀測到的宇宙似乎幾乎完全由物質組成，雖然科學家們(men) 已經成功地用粒子加速器製造出了少量的反物質。這兩(liang) 者之間是否存在不平衡？如果存在，原因是什麽(me) 呢？在大爆炸之後的那幾分之一秒內(nei) ，究竟發生了什麽(me) ？

荷蘭(lan) 國家亞(ya) 原子物理研究所（Nikhef）試圖通過參與(yu) LHCb實驗來解答這些問題。這個(ge) 實驗是位於(yu) 瑞士日內(nei) 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誇克及其必然產(chan) 生的反b誇克，來測量這種“美”（即：b誇克）的衰變，因為(wei) 它們(men) 是通過粒子加速器內(nei) 部的碰撞產(chan) 生的。LHC目前處於(yu) 關(guan) 閉維護狀態，但明年重新開啟時，LHCb探測器將會(hui) 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，某種程度上應歸功於(yu) 金屬3D打印技術提供的一種新的冷卻解決(jue) 方案。

通過更有效的冷卻獲得更好的分辨率

LHCb是LHC七個(ge) 探測器中的一個(ge) ，由大約10個(ge) 不同的子探測器組成，捕獲關(guan) 於(yu) 粒子碰撞的各種信息。正如Nikhef網站上所解釋的那樣：“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(dong) 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(yi) 器運行時溫度更高，而熱量會(hui) 帶來幹擾觀測的“噪音”。要想獲得清晰的圖像，這些儀(yi) 器必須保持低溫。

這就是Antonio Pellegrino所麵臨(lin) 的挑戰，他在Nikhef負責SciFi。這是一種用於(yu) LHCb的新型追蹤裝置，可以揭示粒子在加速器中的路徑。“為(wei) 了看到這些光子，必須使用放大倍數非常大的裝置。但是它也會(hui) 放大背景。”Pellegrino說，“要解決(jue) 這個(ge) 問題，必須冷卻相機。隻要夠冷，就能顯著降低背景噪音，讓我們(men) 看到想看的目標。”

在LHCb實驗中，必須保持冷卻的一個(ge) 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(ge) 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(yu) 你的智能手機上的芯片非常相似，隻是更加敏感。”隻要保持足夠低的溫度——大約40°C——該設備就能夠探測到以非常微弱的光表現出來的單個(ge) 粒子。

Pellegrino團隊3年前就開始研究光子探測器條帶的冷卻方案。他們(men) 認為(wei) 需要將冷卻棒裝入一個(ge) 非常有限的空間，然後沿著探測器條帶平穩運行。冷卻棒最好采用薄壁設計，以盡量減少材料之間的表麵和氟化碳冷卻劑，但也必須能夠承受至少7巴的壓力而不泄漏。為(wei) 了滿足這些功能需求，由政府資助的Pellegrino團隊需要找到一個(ge) 可持續的、經濟的解決(jue) 方案。

他們(men) 原本開發了一種冷卻方案，本以為(wei) 是可行的，但是它過於(yu) 昂貴、複雜，無法投入常規生產(chan) 。Pellegrino團隊的首席工程師Rob Walet對聚合物3D打印有一定了解，在調查了一些金屬3D打印方案後，他決(jue) 定與(yu) 3DSystems公司一起合作開發。該公司在比利時有一個(ge) 客戶創新中心。

規格決(jue) 定材料選擇

當Pellegrino團隊帶著設計來到3D Systems公司時，他們(men) 的需求很簡單：“這就是我們(men) 想要的。你們(men) 能實現嗎？”

3D Systems對其3D打印能力很有信心，但還需要一些研發，才能使其設計從(cong) “功能性”轉變為(wei) “可3D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(ge) 並列運行的通道。這種多通道能夠實現更大的表麵積，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(ge) 部件裝上一個(ge) “彈簧”。
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(jue) 於(yu) 設計要求。在用不鏽鋼製作出模型後，3D Systems發現，在當前可用的打印參數下，不可能既實現理想的薄壁，同時又保證無泄漏操作。他們(men) 不願意向厚壁和降低冷卻能力低頭，於(yu) 是改用LaserForm TiGr32 (A)材料。這是3D Systems為(wei) 牙科、醫療和技術應用開發的一種鈦合金。

3D Systems應用工程師Thomas Verelst說：“在打印過程中，鈦的熔池相當穩定，激光參數也非常優(you) 良。”壁厚僅(jin) 為(wei) 0.25mm。鈦還可以被焊接，能夠滿足這套冷卻架構的最終組裝要求。

投入生產(chan)

針對設計迭代和材料選擇進行原型測試後，他們(men) 發現3D打印鈦能夠實現最終的冷卻棒性能。但要投入生產(chan) ，卻並非易事。Nikhef對3D Systems所做的每一次迭代設計，都做了幾個(ge) 月的測試，以確保它們(men) 能夠長期防漏、耐用。不久，另一個(ge) 挑戰出現了：如何造出又長又薄的冷卻棒？

Verelst解釋說：“我們(men) 必須造出一條非常長的零部件，平整度達到50mm。通常我們(men) 會(hui) 打磨表麵，但這種零件太薄，不能打磨。打印流程本身會(hui) 產(chan) 生一些變量，所以如果將這個(ge) 零件夾緊然後銑削，就有可能使某些區域削得太薄，泄漏的風險太高。我們(men) 必須在不進行銑削後處理的前提下，將平整度控製在規格範圍內(nei) 。”

除了平整度挑戰外，冷卻棒在某些功能冷卻表麵區還出現了收縮缺陷。Verelst解釋說：“冷卻表麵的這些缺陷會(hui) 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(ge) 循環後，缺陷被移除，線條幾乎看不見了。”

最終，3DSystems的DMP Flex 350直接金屬打印機被投入生產(chan) 。為(wei) 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(ge) 構造板上，將對支撐結構的需求降至最低。

Verelst介紹說，每條冷卻棒隻有兩(liang) 處有支撐物，很容易就能移開。3D打印結束後，再用電火花線切割從(cong) 構造板上移除零件；壓縮空氣通過管道清除所有散落的粉末。

3D Systems總共生產(chan) 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(yu) 最終的冷卻係統相連。”將這麽(me) 長的冷卻棒以一個(ge) 單一組件的形式打印出來，減少了冷卻解決(jue) 方案的整體(ti) 部件數量，也減少了對接頭的需求，降低了泄漏的風險。根據壓力測試，最終完成的3D打印冷卻棒預計可以持續使用至少10年。

這項應用了SciFi追蹤器的實驗將於(yu) 2022年開始，Pellegrino希望這台儀(yi) 器帶來更多關(guan) 於(yu) 物質和反物質的新消息。“這是一項基礎研究，”他說：“它非常重要，因為(wei) 它將影響我們(men) 對宇宙和物理的看法。這就是我們(men) 啟動這個(ge) 實驗的原因。”