CERN LHCb 利用 3D 打印的冷却系统提高粒子检测能力

在瑞士和法国两国交界的山下一百米处，坐落着有史以来建造的最大、最强的粒子加速器：大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）。这一壮观的设施由欧洲核子研究组织 (CERN) 用于开展四项关键实验下的高能物理研究。

加速器全长 27 公里，以使粒子快速加速，可观察到的反应发生在配备大型粒子探测器的四个束流交叉点处。在 LHCb 实验的检测体积内，必须将一台长度长且极其狭窄的条形光子探测器冷却到 -40 ˚C，以维持反应来开展研究。该条形光子探测器大约长 140 米，宽度不到两毫米，固定在可实现 100% 冷却的 3D 打印钛冷却棒上。

这些冷却棒是荷兰国家亚原子物理研究所 Nikhef 与 3D Systems 应用创新小组之间的合作成果，使用 3D Systems 的直接金属打印 (DMP) 技术生产而成。3D Systems 因其在成功升级实验方面所做的贡献而荣获 2019 年 LHCb 工业奖。

大型强子对撞机内的粒子碰撞发生在探测器内，而探测器是极为复杂的系统，可以收集基本粒子属性相关的信息。现代探测器包括多层子探测器，其中还有揭示粒子路径的跟踪设备，例如 LHCb SciFi 跟踪器（闪烁光纤的简称）。也可以通过其他子探测器系统来测量粒子的能量和辐射。

Antonio Pellegrino 就职于 Nikhef，同时也是 CERN 在大型强子对撞机底夸克 (LHCb) 实验中 SciFi 跟踪器项目的负责人。他解释说，冷却系统的复杂性是由以下几个不可避免的因素造成的：容纳冷却棒的空间极其有限；需要在如此短小的空间内消散的热量；整个条形光子探测器上的温度需要保持均匀；冷却棒的平坦度必须能够保持探测器的效率和分辨率。“考虑到这些因素，冷却棒的构建方式必须非常高效，”他说道。

Nikhef 项目工程师 Rob Walet 在开始开发冷却棒时，首先设计了一个能够完美满足性能要求的部件。“这个设计非常精美，“Pellegrino 说，“但不能以常规方式进行生产。”所需壁厚是使该部件的常规制造变得复杂的一个主要问题。要获得最大效能，冷却剂与待冷却表面之间所隔的材料保持最少至关重要。由于冷却棒的长度仅 263 毫米，无法加工出所需的壁厚。

在利用手工制作的原型开展了早期实验之后，CERN 迅速确定了手工生产冷却棒不切实际。手工生产不仅需要大量人工，而且以可重复生产的方式进行制造并不容易。有了这种认识之后，该团队开始研究其他制造方法，并探索金属 3D 打印的能力。

虽然 CERN 针对冷却棒的最终功能优化了冷却棒的设计，但优化未考虑到增材制造 (AM)。在意识到这一缺陷之后，CERN 决定选择制造合作伙伴。“在为数不多的潜在公司中，我们选择了 3D Systems，原因是在我看来他们的工程师确实具备将我们的设计转化为可生产物品的能力，”Pellegrino 表示。

CERN 利用 3D Systems 位于比利时鲁汶的客户创新中心 (CIC) 应用工程专业知识，加快其增材制造步伐。3D Systems CIC 设施遍布全球，拥有丰富的经验和技术，可为高科技、航天、医疗保健、运输和赛车运动市场的增材制造应用提供支持。3D Systems CIC 可为处于任何阶段的项目提供建议和帮助，从应用开发和前端工程设计，到设备验证、工艺验证、部件鉴定和生产。

3D Systems 拥有增材制造解决方案的制造商和用户双重身份，是应用工程师与机械工程团队之间独特反馈循环的良港。这种开放式沟通推动 3D Systems 软件、硬件、材料和打印工艺的不断完善，从而实现更好的设备和更好的结果。

通过在设计、打印和测试的迭代方面展开合作，CERN 的工程团队与 3D Systems 紧密协作，对冷却棒的设计进行修改，以使其同时满足制造和最终功能的要求。

对冷却棒的性能要求包括：

• 壁厚。该部件的一个主要规格是 0.25 毫米的壁厚。3D Systems DMP 打印机的高尺寸精度与 3D Systems 拥有的内部专业知识共同实现了这一点，能够根据钛粉熔融池的稳定性和宽度来调整激光参数。
• 密封性。对密封性的要求引导他们选择了 LaserForm^® TiGr23 材料，这是一种高强度钛合金。3D Systems 专为该项目开发的自定义参数集也帮助实现了此目标。
• 平坦度。长度为 263 毫米的冷却棒，其平坦度精度必须达到 50 微米。3D Systems 应用工程师运用各种针对增材制造的设计策略和构建策略建议（例如垂直打印方向）共同实现了这一点。

要有效实现超过 300 精度单位的最终订单，优化冷却棒的设计以进行生产非常重要。据 Pellegrino 介绍，将 3D 打印用作生产方式，主要是看中其相对于组件极高复杂性的经济性，以及实现对于最终应用获得成功所必需的罕见公差的能力。“我们需要一种能够同时实现我们所需部件和性能的可靠方式，”Pellegrino 说道。

除了拥有经 ISO 9001、ISO 13485 和 AS/EN9100 认证的设施之外，3D Systems 还是质量和性能至关重要的行业中数百个关键应用的合作伙伴。3D Systems 涵盖从原型制造到生产的系统化过渡和扩展方法，提供了一种获得合格增材制造部件的简化途径。

制造指导包括：

• 设计策略。冷却棒最终设计为一组镜像的 A、B 组件，两个组件焊接在一起形成一个完整冷却棒。这使得 CERN 能够以最少组装工作获得所需的功能、尺寸和质量。
• 打印方向。采用增材制造时，部件在建模平台上的方向会影响对支撑物的要求。根据 CERN 设计的几何形状，3D Systems 的工程师推荐采用垂直打印方向，以使部件能够尽可能自支撑。
• 部件清洁。冷却棒设计为具有平行冷却通道，这种设计对于控制和确保完全去除粉末带来了挑战。根据其丰富的后处理经验，3D Systems 能够选择清洁方案，确保件冷却棒中的材料完全清除。

根据压力测试，预计冷却棒的使用寿命至少达到十年。虽然 Pellegrino 表示时间会证明一切，但他相信，凭借增材制造所能实现的局限条件组装以及能够以单一材料构建优化形式的能力，冷却棒的可靠性会更高。

据 Pellegrino 介绍，采用增材制造技术令问题得以解决，而且该技术为 CERN 的团队带来了极大好处，项目的成功也激发了从未使用过增材制造的员工对该技术的兴趣。“3D 打印确实带来了新的可能性，”Pellegrino 表示，“它可以推动许多方面的进步。”

Pellegrino 表示，根据他与 3D Systems 之间的合作经验，他已经聘请了该公司的应用专家参与公司的新项目。