3Dプリントされた冷却棒は、反物質の可観測性を向上させます

大爆発の後、等量の物質と反物質がすぐに現れるはずです。 しかし、私たちが観察できる宇宙はほぼ完全に物質で構成されているようですが、科学者は粒子加速器を使用して少量の反物質を作り出すことに成功しています。 2つの間に不均衡はありますか？ 存在する場合、その理由は何ですか？ ビッグバンの後、ほんの一瞬で何が起こったのでしょうか？

オランダ国立素粒子物理学研究所（Nikhef）は、LHCb実験に参加することにより、これらの質問に答えようとしました。この実験は、スイスのジュネーブにある欧州原子力研究センターの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の一部であり、通常のbクォークとその必然的な反bクォーク（つまり、bクォーク）を捕捉することによってこの「美しさ」を測定します。 。）粒子加速器内の衝突によって生成されるため。 LHCは現在メンテナンスのため閉鎖されていますが、来年再開されると、LHCb検出器には、これらの粒子をより適切に捕捉できるアップグレードされたトラッカーが装備されます。このトラッカーのパフォーマンスの向上は、金属3D印刷技術によって提供される新しい冷却ソリューションに部分的に起因しています。




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LHCbは、LHCの7つの検出器の1つであり、約10の異なるサブ検出器で構成され、粒子の衝突に関するさまざまな情報を取得します。 Nikhefのウェブサイトで説明されているように、「ある意味、検出器は実際には顕微鏡です。研究者が見たいと思うものが小さければ小さいほど、顕微鏡とそのレンズを大きくする必要があります。」難しさは次のとおりです。高温になると、熱によって「ノイズ」が発生し、観測が妨げられます。鮮明な画像を得るには、これらの機器を冷たく保つ必要があります。



これは、NikhefでSciFiを担当しているAntonioPellegrinoが直面している課題です。これは、加速器内の粒子の経路を明らかにすることができるLHCbの新しい追跡装置です。 「これらの光子を見るには、非常に大きな拡大装置を使用する必要がありますが、背景も拡大します。」ペレグリーノ氏は、「この問題を解決するには、カメラを冷却する必要があります。十分に冷たい限り、背景はノイズを大幅に減らすことができます。見たいものを見てみましょう。」







LHCb実験では、冷却しなければならない特定の部分は光子検出器ストリップです。大型ハドロン衝突型加速器のセクションに沿って約140メートル移動する必要があります。ペレグリーノ氏は次のように説明しています。「このストラップの光子検出器チップはスマートフォンのチップと非常に似ていますが、感度が高くなっています。」温度が十分に低く（約40°C）保たれている限り、デバイスは単一の粒子を検出できます。非常にかすかな光で表される粒子。



Pellegrinoチームは、3年前に光子検出器ストリップの冷却スキームの研究を開始しました。彼らは、冷却ロッドを非常に限られたスペースに詰めてから、検出器ストリップに沿ってスムーズに動かす必要があると考えています。冷却ロッドは、材料とフルオロカーボン冷却剤の間の表面を最小限に抑えるために薄い壁で設計するのが最適ですが、漏れなく少なくとも7バールの圧力に耐えることができなければなりません。これらの機能要件を満たすために、政府から資金提供を受けているPellegrinoチームは、持続可能で経済的なソリューションを見つける必要があります。





彼らは当初、実現可能であると考えた冷却方式を開発しましたが、従来の生産に投入するには費用がかかり、複雑すぎました。 PellegrinoチームのチーフエンジニアであるRobWaletは、ポリマー3D印刷についてある程度の理解を持っており、いくつかの金属3D印刷ソリューションを調査した後、3DSystemsと共同で開発することを決定しました。同社はベルギーにカスタマーイノベーションセンターを持っています。





Pellegrinoチームがデザインを持って3DSystemsに来たとき、彼らのニーズは単純でした。「これが私たちが望んでいることです。あなたはそれを達成できますか？」



3D Systemsは、その3D印刷機能に自信を持っていますが、その設計を「機能的」から「3D印刷可能」に変換するには、いくつかの研究開発が必要です。 Nikhefは、3D Systemsと協力して、有限要素解析、物理的プロトタイピング、およびテストを通じて設計を改良しました。各冷却ロッドには、3つの並列実行チャネルが含まれています。このマルチチャネルは、より大きな表面積、より大きな乱流、およびより優れた冷却効果を実現できます。これらのパイプは、材料が膨張および収縮するときに曲がることもあります。金属3D印刷技術を使用すると、追加の作業や組み立てを行うことなく、各部品に「バネ」を取り付けることができます。
Nikhefと3DSystemsは、最終的な冷却ロッドが金属材料で作られることを知っていますが、材料の最終的な選択は設計要件によって異なります。 3D Systemsは、モデルをステンレス鋼で作成した後、現在利用可能な印刷パラメータでは、漏れのない動作を確保しながら理想的な薄壁を実現することは不可能であることを発見しました。彼らは厚い壁に屈することを望まず、冷却能力を低下させたため、LaserForm TiGr32（A）材料に切り替えました。これは、3D Systemsが歯科、医療、技術用途向けに開発したチタン合金です。

レーザー ポインター 風船

3DSystemsのアプリケーションエンジニアであるThomasVerelst氏は、「印刷プロセス中、チタンの溶融プールは非常に安定しており、レーザーパラメータも非常に良好です」と述べています。壁の厚さはわずか0.25mmです。チタンは、この冷却構造の最終的な組み立て要件を満たすために溶接することもできます。





設計の反復と材料の選択のためのプロトタイプテストを実施した後、彼らは3Dプリントチタンが最終的な冷却ロッドの性能を達成できることを発見しました。しかし、本番環境に移行するのは簡単ではありません。 Nikhefは、3D Systemsのすべての反復を数か月間テストして、漏れがなく、長期間耐久性があることを確認しました。すぐに、別の課題が現れました：長くて細い冷却棒をどのように作るか？



ベレルスト氏は、「平坦度50mmの非常に長い部品を作る必要があります。通常は表面を研磨しますが、この種の部品は薄すぎて研磨できません。印刷プロセス自体がいくつかの変数を生成するため、この部品がクランプしてからフライス盤を使用すると、特定の領域が薄くなりすぎて漏れのリスクが高くなる可能性があります。フライス盤後の処理を行わずに、仕様内で平坦度を制御する必要があります。」



平坦性の課題に加えて、冷却ロッドには、一部の機能的な冷却表面積に収縮欠陥があります。 Verelst氏は次のように説明しています。「冷却面のこれらの欠陥は冷却性能に影響を与えるため、CADの実際の変形を相殺して除去する必要があります。数サイクル後、欠陥が除去され、線がほとんど見えなくなります。」



最後に、3DSystemsのDMP Flex350ダイレクトメタルプリンターが生産されました。故障の可能性を最小限に抑えるために、グループはこの263mmの長さの冷却ロッドを印刷するために垂直3Dソリューションを採用し、構造ボードに多くのコンポーネントをパッケージ化して、支持構造の必要性を最小限に抑えました。



Verelstによると、各冷却ロッドには2つのサポートしかなく、簡単に取り外すことができます。 3D印刷が完了した後、ワイヤーEDMを使用して構造ボードから部品を取り外します。圧縮空気がパイプを通過して、散乱した粉末をすべて除去します。



合計で、3D Systemsは300を超える冷却棒を製造しており、そのすべてがNikhefの検証に合格し、現在大型ハドロン衝突型加速器に搭載されています。ペレグリーノ氏は次のように述べています。「冷却棒の半分はすでに最終冷却システムに接続されています。」このような長い冷却棒を単一のコンポーネントとして印刷すると、冷却ソリューションのコンポーネント全体の数が減り、ジョイントの必要性が減ります。漏れのリスク。圧力テストによると、最終的な3Dプリントされた冷却ロッドは少なくとも10年続くと予想されています。



SciFiトラッカーを使用した実験は、2022年に開始されます。ペレグリーノは、この機器が物質と反物質に関するより多くの新しいニュースをもたらすことを望んでいます。 「これは基礎研究であり、宇宙や物理学の見方に影響を与えるため、非常に重要です。そのため、この実験を開始しました。」