大型强子对撞机粒子物理学实验室和3D Systems3D打印零件

大型强子对撞机粒子物理学实验室和3D Systems3D打印零件

2020-12-04 2

一个有经验的研究人员在瑞士日内瓦外的一个团队里工作,他们致力于发现支撑我们生存的物理原理,有时在这里或那里都会遇到麻烦。在CERN的大型强子对撞机(LHC)工程师们尝试开发一系列冷却棒来降低LHCBeauty(LHCb)实验的系统温度,以便从LHC收集并追踪粒子。CERN和美国国家亚原子物理研究所(Nikhef)在传统制造技术无法满足需求的情况下,转向3D打印系统(纽约证交所:DDD)。

LHC是一种长达27公里的科学实验,它能加速粒子,然后把它们粉碎成粒子探测器。LHCb是8个系列实验的总称,它们都试图依靠LHCbSciFi跟踪器(长140米、宽2毫米的光子探测器带)来收集和跟踪LHC中的粒子。

3D打印机

这个名字实际上代表了什么,根据Phys.org的说法,这个名字在科幻小说中是相当科幻的。

如其名称所示,“闪烁纤维是带有聚苯乙烯基的光纤,当粒子与之相互作用时,就会发射出许多蓝绿色的光子。在聚苯乙烯中加入了辅助闪烁体染料来放大光并将其传输到较长的波长,这样就能到达定制的硅光电倍增管(SiPM),将光转换成电信号。这种方法已在其它高能物理实验中得到了验证。光纤本身是轻质的,它们能在25纳秒的时间窗内产生和传输光,并且能够承受未来预期的电离辐射。

组成子探测器的闪烁光纤直径约为0.25毫米,长度约为2.5米。

3D打印机

LHCb的SciFi检测器

在LHCb中,将会有超过10,000km的闪动的纤维结合在一起,而LHCb将会被附近热量计制造的中子撞击。这一过程所造成的辐射损伤将会产生“暗噪声”,在这种噪声中,热激发电子推动SiPM产生与单个光子相似的信号。要想让SiPM冷却,SciFi和量热器之间必须要有遮挡。

SciFi项目协调员BlakeLeverington解释道:“测量结果显示,温度每降低10°C,暗噪声的发生率就会降低2倍。

侧视的LHCb。

Nikhef的AnthonyPellegrino强调了设计这个项目所需要的复杂冷却系统的一系列限制:

他说:“放置冷却棒需要有限的空间,需要短空间内散发的热量,需要整个光子探测带长度上的温度均匀性,需要冷却棒平面性,才能保持探测器的效率和分辨率。其结果就是你必须以非常高的效率建造冷却系统。

最后得出的“设计很漂亮,但不能按常规方式生产”,传统上他们无法制造零件,于是他们转向3D打印。Nikhef小组随后与位于比利时鲁汶的3DSystems客户创新中心(CIC)合作,将其设计转变为针对3D打印的最佳设计。最后的设计是垂直印刷的,并且团队特别注意确保他们的设计能从管道中取出松散的粉末。

所得到的试条具有优化的拓扑结构和3D打印的冷却试条,用于辅助冷却检测器。为CERN设计和生产了300根冷却棒,可使系统冷却至-40度C。研究小组必须对某些参数进行调整,以达到所需的0.25mm壁厚。每一个263mm的零件在整个长度上都需要“精确度达到50微米”。该散热条由两个镜像3D打印部件焊接而成,它们由Ti6Al4VELI公司生产。每一个冷却的棒材都有一个平行的冷却通道,使用寿命可达10年。

3D打印机

近来,我们采访了3DPOD公司的3DSystemsCEOJeffGraves。对于3DSystems的3D打印服务,他表示怀疑,但是对于这类应用的发展情况很乐观,因为3DSystems可以帮助客户设计全新的部件或者开发新的解决方案。三维打印仍能解决许多问题,应用的技术也很多。LHC所使用的束流位置监测器部件也已在几年前进行了3D打印。3D打印什么时候可以解决其他技术不能解决的问题,这是令人高兴的。在采用这种方法时,对于公差和要求都很严格的复杂部件,我们不仅能说话,还能走路。

保形器的冷却通道和其他与冷却有关的部件一直以来都是3D打印技术的一部分。虽然在共形冷却通道中,PowerPoint幻灯片的数量超过了我们的零件数量,但3D打印的冷却效果却是一个令人兴奋的话题。时光飞逝,我们看到越来越多的人开始使用3D打印的散热装置和其它散热装置。当新材料(如铜和铝)出现时,我们应该会看到3D打印技术的性能以及在散热器上的应用。最优设计、纹理和组合部件或质量较差的部件可能对电动引擎和各种工业设备有很大影响。

稍作改进的3D打印散热器或冷却元件可能意味着电动汽车可以跑得更远,电脑可以跑得更快,火箭可以跑得更快,飞船可以更便宜。制冷是很多行业正在研究的领域。因为只有我们才能提供准确的解决方案,所以人们不断地涌入我们的行业。

但在这些月球之外,没有一个新公司或新项目投入了大量的精力或资金为各种行业提供最优的加热和散热解决方案。假如你在寻找一个新的应用领域来投资或者开发一个应用,我建议你研究一下在汽车、航空和工业领域中使用加热和冷却拓扑优化的部件。像AdditiveDrives这样的创业公司,确实可以确保针对电动引擎这样的东西的合适的解决方案能够更快地实现3D打印,并且也为创造更多这样的公司创造了条件。在3DSystems和初创公司的帮助下,寻求冷却应用程序的解决方案将变得越来越受欢迎。


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