媚色倾国 大爆炸理论假设：经过大爆炸后，应该立即出现等量的物质和反物质。然而，我们所能观测到的宇宙似乎几乎完全由物质组成，虽然科学家们已经成功地用粒子加速器制造出了少量的反物质。这两者之间是否存在不平衡？如果存在，原因是什么呢？在大爆炸之后的那几分之一秒内，究竟发生了什么？

荷兰国家亚原子物理研究所（Nikhef）试图通过参与LHCb实验来解答这些问题。这个实验是位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的一部分，通过捕捉普通的b夸克及其必然产生的反b夸克，来测量这种“美”（即：b夸克）的衰变，因为它们是通过粒子加速器内部的碰撞产生的。LHC目前处于关闭维护状态，但明年重新开启时，LHCb探测器将会配备一款升级的追踪器，能够更好地捕捉这些粒子。这款追踪器的性能提高，某种程度上应归功于金属3D打印技术提供的一种新的冷却解决方案。

通过更有效的冷却获得更好的分辨率

LHCb是LHC七个探测器中的一个，由大约10个不同的子探测器组成，捕获关于粒子碰撞的各种信息。正如Nikhef网站上所解释的那样：“某种程度上，探测器其实也是显微镜——研究人员想要看到的东西越小，显微镜及其透镜就需要越大。”难就难在：更大、更灵敏的仪器运行时温度更高，而热量会带来干扰观测的“噪音”。要想获得清晰的图像，这些仪器必须保持低温。

这就是Antonio Pellegrino所面临的挑战，他在Nikhef负责SciFi。这是一种用于LHCb的新型追踪装置，可以揭示粒子在加速器中的路径。“为了看到这些光子，必须使用放大倍数非常大的装置。但是它也会放大背景。”Pellegrino说，“要解决这个问题，必须冷却相机。只要够冷，就能显著降低背景噪音，让我们看到想看的目标。”

在LHCb实验中，必须保持冷却的一个特定部分，就是光子探测器条带。它需要沿着大型强子对撞机上的一个部分运行约140米。Pellegrino解释说：“这条带子上的光子探测器芯片与你的智能手机上的芯片非常相似，只是更加敏感。”只要保持足够低的温度——大约40°C——该设备就能够探测到以非常微弱的光表现出来的单个粒子。

Pellegrino团队3年前就开始研究光子探测器条带的冷却方案。他们认为需要将冷却棒装入一个非常有限的空间，然后沿着探测器条带平稳运行。冷却棒最好采用薄壁设计，以尽量减少材料之间的表面和氟化碳冷却剂，但也必须能够承受至少7巴的压力而不泄漏。为了满足这些功能需求，由政府资助的Pellegrino团队需要找到一个可持续的、经济的解决方案。

他们原本开发了一种冷却方案，本以为是可行的，但是它过于昂贵、复杂，无法投入常规生产。Pellegrino团队的首席工程师Rob Walet对聚合物3D打印有一定了解，在调查了一些金属3D打印方案后，他决定与3DSystems公司一起合作开发。该公司在比利时有一个客户创新中心。

规格决定材料选择

当Pellegrino团队带着设计来到3D Systems公司时，他们的需求很简单：“这就是我们想要的。你们能实现吗？”

3D Systems对其3D打印能力很有信心，但还需要一些研发，才能使其设计从“功能性”转变为“可3D打印”。Nikhef和3D Systems合作，通过有限元分析、物理原型和测试来完善其设计。每条冷却棒包含三个并列运行的通道。这种多通道能够实现更大的表面积，更大的湍流以及更好的冷却效果。这些管道还能随材料的膨胀、收缩而弯曲。使用金属3D打印技术，无需任何额外的工作或组装，就可以给每个部件装上一个“弹簧”。
Nikhef和3D Systems知道最终冷却棒将采用金属材料，但最终选择哪种材料取决于设计要求。在用不锈钢制作出模型后，3D Systems发现，在当前可用的打印参数下，不可能既实现理想的薄壁，同时又保证无泄漏操作。他们不愿意向厚壁和降低冷却能力低头，于是改用LaserForm TiGr32 (A)材料。这是3D Systems为牙科、医疗和技术应用开发的一种钛合金。

3D Systems应用工程师Thomas Verelst说：“在打印过程中，钛的熔池相当稳定，激光参数也非常优良。”壁厚仅为0.25mm。钛还可以被焊接，能够满足这套冷却架构的最终组装要求。

投入生产

针对设计迭代和材料选择进行原型测试后，他们发现3D打印钛能够实现最终的冷却棒性能。但要投入生产，却并非易事。Nikhef对3D Systems所做的每一次迭代设计，都做了几个月的测试，以确保它们能够长期防漏、耐用。不久，另一个挑战出现了：如何造出又长又薄的冷却棒？

Verelst解释说：“我们必须造出一条非常长的零部件，平整度达到50mm。通常我们会打磨表面，但这种零件太薄，不能打磨。打印流程本身会产生一些变量，所以如果将这个零件夹紧然后铣削，就有可能使某些区域削得太薄，泄漏的风险太高。我们必须在不进行铣削后处理的前提下，将平整度控制在规格范围内。”

除了平整度挑战外，冷却棒在某些功能冷却表面区还出现了收缩缺陷。Verelst解释说：“冷却表面的这些缺陷会影响冷却性能，因此必须通过抵消CAD中的实际变形来消除。几个循环后，缺陷被移除，线条几乎看不见了。”

最终，3DSystems的DMP Flex 350直接金属打印机被投入生产。为了尽可能减少失败几率，集团采用垂直3D方案打印这款长达263mm的冷却棒，将许多部件打包到一个构造板上，将对支撑结构的需求降至最低。

Verelst介绍说，每条冷却棒只有两处有支撑物，很容易就能移开。3D打印结束后，再用电火花线切割从构造板上移除零件；压缩空气通过管道清除所有散落的粉末。

3D Systems总共生产了300多根冷却棒，都已通过了Nikhef的验证，目前正在大型强子对撞机上安装。Pellegrino说：“已有一半的冷却棒与最终的冷却系统相连。”将这么长的冷却棒以一个单一组件的形式打印出来，减少了冷却解决方案的整体部件数量，也减少了对接头的需求，降低了泄漏的风险。根据压力测试，最终完成的3D打印冷却棒预计可以持续使用至少10年。

这项应用了SciFi追踪器的实验将于2022年开始，Pellegrino希望这台仪器带来更多关于物质和反物质的新消息。“这是一项基础研究，”他说：“它非常重要，因为它将影响我们对宇宙和物理的看法。这就是我们启动这个实验的原因。”