3D打印如何帮助CERN科学家升级世界上最大的粒子加速器

国内
2021
01/14
17:30
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来源:中国核技术网

为大型强子对撞机制造微小,高度复杂的组件绝非易事。CERN的科学家找到了3D打印的解决方案。
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在过去的五年中,安东尼奥·佩莱格里诺(Antonio Pellegrino)一直在从事高压工作:科学家正在领导对功能最强大的粒子加速器进行升级,该粒子加速器位于法瑞边界欧洲核子研究组织(CERN)的下方一百米。

通常被称为大型强子对撞机(LHC),该加速器是一个27公里长的环,其中质子和电子等粒子彼此高速投射,重现了十分之一秒的存在条件。大爆炸之后–加速器内装有各种高精度探测器,所有这些都可供现代科学家观察。

大型强子对撞机在2015年被暂停,以供工程师和医生寻找提高加速器探测器精度的方法。最终目标?不仅要了解问题,而且要对宇宙的起源有更好的见识。

为此,佩莱格里诺(Pellegrino)求助于一项目前用于设计从食品,时尚到人体细胞的产品的技术:3D打印。由于与技术公司3D Systems的合作,LHC的某些部分已经从3D打印机中脱颖而出,作为加速器探测器冷却系统设计的一部分。至关重要的是,3D打印零件可以满足薄型组件的严格要求,而又不影响回弹力-这是传统手工工艺几乎不可能满足的条件。
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Pellegrino告诉记者:“问题的有趣组合导致我们进行3D打印。” “我们花了两年的时间试图制造出满足我们要求的原型,才意识到它太费力了,而且再现性不够。那时候我们开始考虑也许3D打印可能是我们的选择。”

通过选择,3D打印成为解决方案。3D Systems的打印机成功用于生产极轻的钛棒,其宽度为1.6毫米,壁厚为0.1毫米。这些条将安装在检测器上,并将用于将系统冷却至-40°C,以确保结果不会因热干扰而改变。

佩莱格里诺(Pellegrino)的工作专注于特定类型的LHC检测器,该检测器用于一项名为大型强子对撞机美女(LHCb)实验的研究。这项研究着眼于一种叫做美夸克的粒子,以了解物质与其神秘的对应物反物质之间的区别。反物质是在宇宙原始时期与粒子并存的反粒子,如今这种反粒子严格地在专家的范围内产生实验室。

“物质和反物质在平等的基础上开始,但是今天,我们只有一种类型。那么另一种类型又去了哪里呢?” 问佩莱格里诺。

为了确切地回答这个问题,大型强子对撞机产生了数十亿个美容夸克粒子,以及与之相当的被称为反美夸克的反物质,它们在大爆炸之后都是很常见的。简而言之,LHCb检测器的作用包括记录有趣的粒子编排,这些编排是在产生美丽和反美夸克并随后在LHC内部衰减时发生的。

夸克是不稳定的且寿命短:在眨眼之间,它们会分解成其他颗粒。观察这一过程可以为科学家提供线索,说明为什么物质似乎战胜了反物质,并且从长远来看,可以更好地理解宇宙的创造。

佩莱格里诺说:“物质和反物质的行为之间的差异很小,要观察它,就需要越来越好的仪器。” “为此,我们希望构建一个更好的检测器。您可以将其视为一张照片-您希望看到越来越清晰的图像。这就是它的意义。这就是为什么我们要进行如此巨大的技术升级。”




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