宇宙の謎を解き明かす、3Dプリントされた冷却棒が反物質の観測可能性を向上させる

はじめに: 2021 年 8 月 1 日、Antarctic Bear は、欧州原子核研究機構の大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) プロジェクトが、金属 3D プリントチューブによる効率的な冷却のおかげで、観察者の進路をより正確に検出できる実験を 2022 年に再開することを知りました。
宇宙の起源に関するビッグバン理論によれば、この出来事の直後に同量の物質と反物質が生成されたはずだとされています。しかし、観測可能な宇宙はほぼ完全に物質で構成されているようで、科学者は粒子加速器を使って少量の反物質を生成することに成功しただけである。両者の間に不均衡はあるのでしょうか。もしあるとすれば、その理由は何でしょうか。ビッグバン後のほんの一瞬の間にいったい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で、これらの疑問の解明に貢献しようとしています。この実験は、スイスのジュネーブにある欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の一部であり、粒子加速器内での衝突によって生成される通常のbクォークとその反bクォークの必然的な結果を捉えることで、bクォークの崩壊を測定する。 LHCは現在メンテナンスのため閉鎖されているが、来年再開されると、LHC-B検出器にはこれらの粒子をよりよく捕らえられるアップグレードされた追跡装置が搭載される予定だ。その性能向上の少なくとも一部は、金属3Dプリントによって可能になった機器の新しい冷却ソリューションによるものとなるだろう。
より効率的な冷却による解像度の向上
LHCb は、LHC に取り付けられた 7 つの検出器のうちの 1 つです。粒子衝突に関するさまざまな情報を捕捉できる約 10 個の異なるサブ検出器で構成されています。 Nikhef の Web サイトでは次のように説明されています。「ある意味では、検出器は顕微鏡であり、研究者が見たい詳細が小さければ小さいほど、顕微鏡とそのレンズは大きくする必要があります。」問題は、より大きく、より感度の高い機器はより高温になり、その熱によって観測を妨げる「ノイズ」が発生することです。鮮明な画像を撮影するには、これらの機器を冷たい状態に保つ必要があります。
△SciFi トラッカー。LHCb 実験の SciFi (シンチレーションファイバー) トラッカーは、粒子が相互作用すると光を発する光ファイバーを使用します。 3D Systems社が製造したこのロッドは、この光を電気信号に変換するシリコン光電子増倍管（SiPM）を冷却します。画像提供: CERN
これは、Nikhef の Scintillation Fiber (SciFi) トレーサープロジェクトのリーダーである Antonio Pellegrino が取り組んでいる課題です。
「これは LHCb 用の新しいトレーサーで、加速器内で粒子がたどる経路を明らかにします」と、トレーサープロジェクトを率いるペレグリーノ氏は語ります。「これらの光子を見るには、非常に大きな増幅を使用する必要がありますが、これにより背景も増幅されます。これを回避する方法は、カメラを冷却することです。十分に冷やせば、背景ノイズが大幅に削減され、必要な情報を見ることができます。」
LHCb 実験で特に冷却を保つ必要があるのは、LHC の一部に沿って約 140 メートルにわたって走る光子検出器ストリップです。「このストリップの光子検出チップは携帯電話のカメラに搭載されているチップと非常によく似ていますが、感度がはるかに高いのです」とペレグリーノ氏は説明した。十分に暖かく保てば（約 40°C）、デバイスは非常にかすかな光として現れる個々の粒子を検出できます。
ニクヘフのペレグリーノ氏のチームは、3年以上前に光子検出器バーを冷却するためのソリューションの開発に取り組み始めました。これらの冷却ストリップは、非常に限られたスペースに収まり、検出器ストリップの長さに沿って平坦性を維持する必要があります。表面とフルオロカーボン冷却剤の間の物質の量を最小限に抑えるには薄い壁が望ましいですが、ロッドは漏れることなく少なくとも 7 bar の圧力に耐える必要があります。これらの機能要件に加えて、政府資金で運営される Nikhef は、長期にわたって耐久性のある経済的なソリューションを見つける必要もありました。
組織は、効果があると思われる冷却ソリューションを開発しましたが、その設計は通常の生産には高価で複雑すぎました。 Pellegrino チームの主任エンジニアである Rob Walet 氏は、すでにポリマー 3D プリントについてある程度の知識を持っており、金属 3D プリントのさまざまなオプションを調査した後、ベルギーにカスタマーイノベーションセンターを持つ 3D Systems のアプリケーションイノベーショングループと協力することを決めました。
仕様によって材料の選択が決まる
3D Systems は冷却ロッドを 3D プリントする能力に自信を持っていますが、設計を「機能的」なものから「3D プリント可能」なものにするには、ある程度の開発が必要になります。 Nikhef は 3D Systems と協力し、有限要素解析、物理的なプロトタイピング、テストを通じて設計を改良しました。各チューブには並行して走る 3 つのチャネルが含まれており、複数のチャネルによって表面積が大きくなり、乱流が大きくなるため、冷却効果が向上します。チューブは、材料が膨張したり収縮したりするのに合わせて曲がるようにも設計されており、金属 3D 印刷技術を使用することで、追加の作業や組み立てをすることなく、各コンポーネントに「スプリング」を組み込むことが基本的に可能になります。
△3Dプリントされた冷却ロッド。最終的な冷却ロッドの設計には、2つの領域に限定された「スプリング」とサポート構造があります。 3D Systems の DMP 350 Flex では、複数のロッドを一度に 3D プリントできます。画像提供: 3D Systems
Nikhef と 3D Systems は、最終的なバーは金属で製造されることはわかっていましたが、適切な材料の選択は最終的には設計要件に依存していました。 3D Systems は、ステンレス鋼で形状のプロトタイプを作成した後、当時の印刷パラメータでは漏れのない動作を保証しながら必要な薄壁を実現することは不可能であることに気付きました。研究者らは、壁を厚くして冷却能力を低下させるのではなく、材料を 3D Systems が歯科、医療、テクノロジー用途向けに開発したチタン合金である LaserForm TiGr32 (A) に変更しました。
「印刷プロセス中、チタンの溶接プールは非常に安定しており、当時のレーザーパラメータはこの材料に最適でした」と、3D Systems のアプリケーションエンジニアである Thomas Verelst 氏は語ります。「これらの要因により、3D Systems はわずか 0.25 mm という希望の壁厚を実現できました。チタンは溶接も可能で、これは冷却構造の最終組み立ての要件でした。」
生産段階<br /> 設計の反復と材料の選択をテストするための試作により、3D プリントされたチタンが究極の冷却バーを提供できることがすぐに明らかになりました。ただし、生産段階に入ることは一回限りのプロセスではありません。 Nikhef は、3D Systems からの各反復ごとに、部品が長期にわたって漏れがなく耐久性があることを確認するために、数か月に及ぶテストを実施しました。長くて薄い部品の製造ももう一つの課題です。
Verelst 氏は次のように説明しています。「非常に長い部品を 50 ミクロンの平坦度で実現する必要がありました。通常、このような面はフライス加工しますが、壁の厚さが薄すぎるため、この場合はそれができませんでした。印刷プロセス自体にばらつきがあるため、部品をクランプしてフライス加工すると、おそらく薄すぎる部品が生成されます。漏れのリスクが高すぎます。フライス加工の後処理ステップなしで、仕様どおりの平坦度を実現する必要がありました。」
平坦性の問題に加えて、冷却ロッドには機能的な冷却表面の特定の領域で収縮欠陥も見られました。「冷却面のこのような『段差』は冷却性能に問題があるため、CAD で実際の変形を相殺して段差をなくす必要があります」と Verelst 氏は説明します。「数サイクル後には段差はなくなり、線はほとんど目立たなくなります。」
最終的に、3D Systems DMP Flex 350 ダイレクト金属印刷機が製造に使用されました。成功の可能性を最大限に高めるために、長さ 263 mm の冷却ロッドを垂直に 3D プリントしました。これにより、多くの部品を 1 つのビルドプレートに収めることができ、サポート構造の必要性を最小限に抑えることができました。ヴェレルスト氏は、各ロッドは2か所のみで支えられており、簡単に取り外せると述べた。部品は 3D プリント後に応力が緩和され、ワイヤー EDM マシンを使用してビルドプレートから取り外され、チューブを通して圧縮空気が送り込まれ、ゆるんだ粉末が除去されました。
3D Systems は、薄い壁からの漏れを防ぐために、冷却ロッドを許容範囲内で機械加工することはできないことを知っていました。同社は印刷パラメータを調整し、変形を微調整して、望ましい平坦性を実現しました。画像提供: 3D Systems
3D Systems は合計で 300 本以上の冷却ロッドを製造しており、それらは Nikhef によって検証され、現在 LHC に設置されています。ペレグリノ氏は1月に、燃料棒の半分が最終冷却システムに接続されたと述べていた。長い冷却ストリップを単一のコンポーネントとして印刷できるため、冷却ソリューションの全体的な部品数とジョイントの必要性が制限され、漏れのリスクが軽減されます。ストレステストに基づくと、最終的な 3D プリント冷却ストリップは少なくとも 10 年間は持続すると予想されます。
SciFiトラッカーを使った実験は来年2022年に開始される予定で、ペレグリノ氏はこの装置が物質と反物質に関する新たな情報の解明に役立つことを期待している。「これは宇宙と物理学についての私たちの考え方に影響を与えるため、非常に重要な基礎研究です。そもそもこの実験を設定したのもそのためです。」

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