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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部的碰撞產生的。LHC目前處于關閉維護狀態，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。”難就難在：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。

這就是Antonio Pellegrino所面臨的挑戰，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。“為了看到這些光子，必須使用放大倍數非常大的裝置。但是它也會放大背景。”Pellegrino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。”

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。”只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。他們認為需要將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Pellegrino團隊需要找到一個可持續的、經濟的解決方案。

他們原本開發了一種冷卻方案，本以為是可行的，但是它過于昂貴、復雜，無法投入常規生產。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打印方案后，他決定與3DSystems公司一起合作開發。該公司在比利時有一個客戶創新中心。

規格決定材料選擇

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

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“功能性”轉變為“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并列運行的通道。這種多通道能夠實現更大的表面積，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”。
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。他們不愿意向厚壁和降低冷卻能力低頭，于是改用LaserForm TiGr32 (A)材料。這是3D Systems為牙科、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，激光參數也非常優良。”壁厚僅為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

針對設計迭代和材料選擇進行原型測試后，他們發現3D打印鈦能夠實現最終的冷卻棒性能。但要投入生產，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。不久，另一個挑戰出現了：如何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，將平整度控制在規格范圍內。”

除了平整度挑戰外，冷卻棒在某些功能冷卻表面區還出現了收縮缺陷。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。幾個循環后，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。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，每條冷卻棒只有兩處有支撐物，很容易就能移開。3D打印結束后，再用電火花線切割從構造板上移除零件；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追蹤器的實驗將于2022年開始，Pellegrino希望這臺儀器帶來更多關于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。”