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真空設(shè)備助力中國(guó)PandaX暗物質(zhì)探測(cè)項(xiàng)目

2022-10-10 15:58:53    來(lái)源:晶報(bào)網(wǎng)

人類(lèi)的進(jìn)步和生活方式的改變,與科學(xué)的發(fā)展和變革息息相關(guān)。從古代人對(duì)天文地理編制的美麗神話“盤(pán)古開(kāi)天”,到21世紀(jì)好萊塢科幻大片中的“星際穿越”,人類(lèi)對(duì)于廣袤宇宙的向往和探索從未停止過(guò)??v觀近現(xiàn)代 “群星閃耀”的基礎(chǔ)物理發(fā)展史,從牛頓,麥克斯韋到愛(ài)因斯坦,從萬(wàn)有引力,相對(duì)論到量子力學(xué),超弦理論,這些重大發(fā)現(xiàn)和著名物理學(xué)家不斷涌現(xiàn),推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)的快速發(fā)展。

然而,近50年的時(shí)間里,基礎(chǔ)物理學(xué)稍顯停滯,并沒(méi)有出現(xiàn)能夠與相對(duì)論、量子力學(xué)等重大理論突破相提并論的新發(fā)展。正因?yàn)榇?,很多擁有偉大物理?mèng)想的科學(xué)家和研究人員在著力推動(dòng)基本粒子和暗物質(zhì)粒子探測(cè)研究,期待可以直達(dá)真理,不斷探索宇宙的終極秘密。

在“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型”中,宇宙由68%的暗能量(Dark energy)、27%的暗物質(zhì)(Dark matter)和5%的普通物質(zhì)(matter)組成,但迄今還沒(méi)有暗物質(zhì)觀測(cè)的直接數(shù)據(jù)。當(dāng)前探測(cè)暗物質(zhì)粒子主要包括三類(lèi)實(shí)驗(yàn)方案:一是對(duì)撞機(jī)探測(cè),通過(guò)對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子,進(jìn)而探測(cè)出來(lái);二是間接探測(cè),包括衛(wèi)星試驗(yàn)和空間站實(shí)驗(yàn),例如2008年美國(guó)發(fā)射的名為Fermi的γ射線探測(cè)衛(wèi)星,2015年我國(guó)發(fā)射的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星;三是直接探測(cè),通過(guò)暗物質(zhì)粒子與原子核作用對(duì)暗物質(zhì)粒子進(jìn)行探測(cè),但由于作用信號(hào)非常微弱,很容易湮沒(méi)在大量本底環(huán)境中,因此需要把探測(cè)器放在地底深處的實(shí)驗(yàn)室以屏蔽宇宙射線干擾。

中國(guó)PandaX暗物質(zhì)探測(cè)項(xiàng)目持續(xù)推進(jìn)

在暗物質(zhì)粒子的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域,全球有三大最先進(jìn)的研究項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)組;中國(guó)的PandaX,美國(guó)的LUX-ZEPLIN,意大利的XENON。PandaX(熊貓計(jì)劃)是“粒子和天體物理氙探測(cè)器”(Particle and Astrophysical Xenon Experiments)的英文簡(jiǎn)寫(xiě),是我國(guó)開(kāi)展的首個(gè)百公斤級(jí)大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)都是利用液氙(Xe)作為探測(cè)媒介來(lái)尋找暗物質(zhì)。

PandaX項(xiàng)目組依托于上海交通大學(xué)粒子與核物理研究所和李政道研究所,并與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),北京大學(xué),山東大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)室直接合作。在2016年P(guān)andaX二期實(shí)驗(yàn)(500公斤級(jí)液氙)已經(jīng)取得了世界領(lǐng)先的暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度。據(jù)上海交通大學(xué)低溫制冷與液化研究室負(fù)責(zé)人巨永林教授表示,目前正在進(jìn)行四噸級(jí)液氙探測(cè)實(shí)驗(yàn)PandaX-4T,將暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度向前推進(jìn)了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。

暗物質(zhì)直接探測(cè)需要穩(wěn)定的低溫真空環(huán)境

盡管直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)在全世界已經(jīng)開(kāi)展了約30年的時(shí)間,實(shí)驗(yàn)靈敏度有了巨大的提高,但是到目前為止,還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)令人信服的暗物質(zhì)散射的信號(hào)。因此,PandaX-4T探測(cè)項(xiàng)目通過(guò)使用4噸液氙全面增大了靈敏度,但同時(shí)在整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上也會(huì)有很多新挑戰(zhàn)并需要各種性能優(yōu)化。

考慮到探測(cè)機(jī)制原理,要探測(cè)未知的暗物質(zhì)跟已知的氙原子可能產(chǎn)生的微弱的閃動(dòng)光信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大來(lái)測(cè)量,關(guān)鍵就是把其他已知粒子帶來(lái)的信號(hào)全部排斥在外。在PandaX-4T實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,包括了八個(gè)子系統(tǒng):時(shí)間投影室探測(cè)系統(tǒng)、光電探測(cè)系統(tǒng)、前端電子學(xué)系統(tǒng)、觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、氣體存儲(chǔ)和處理(又稱(chēng)氣體純化)系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、低本底控制系統(tǒng)等。其中,低溫制冷系統(tǒng)和氣體純化系統(tǒng)都使用了真空泵組作為必要的設(shè)備部件,來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本保障:首先是穩(wěn)定的低溫真空工作環(huán)境(零下95度左右),減少外界環(huán)境的漏熱,將探測(cè)介質(zhì)氙的溫度波動(dòng)控制在大概±0.1k;同時(shí),需要先將材料表面、閥門(mén)管道和管線等烘烤加快雜質(zhì)氣體釋放,然后抽真空處理,這樣氙和極少量的殘余氣體流經(jīng)純化系統(tǒng),此過(guò)程中會(huì)吸附氣體雜質(zhì)(避免雜質(zhì)對(duì)后期微弱信號(hào)捕捉的干擾),保障氙的純度。

普發(fā)真空泵為客戶提供高性能真空解決方案

PandaX從最開(kāi)始的250公斤氙的用量,到現(xiàn)在的PandaX-4T,即4噸有效探測(cè)量的氙,計(jì)劃未來(lái)將進(jìn)行30噸級(jí)暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn),全面覆蓋暗物質(zhì)的參數(shù)空間。所以,系統(tǒng)越大就越復(fù)雜,探測(cè)設(shè)備的尺寸越大,絕緣結(jié)構(gòu)和隔熱結(jié)構(gòu)的層數(shù)就越多,管線數(shù)量大大增加。因而對(duì)真空泵的數(shù)量或者抽速就帶來(lái)很高的要求,比如理想的夾層真空度一般需要達(dá)到10-4帕。因此,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組選擇真空泵的主要性能參數(shù)(技術(shù)指標(biāo))就包含了極限真空度,真空泵抽速,密封性,尺寸規(guī)格等。

據(jù)上海交通大學(xué)制冷與液化研究室負(fù)責(zé)人巨永林教授表示,目前PandaX實(shí)驗(yàn)組已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)了10臺(tái)普發(fā)真空泵(其中6臺(tái)用于低溫系統(tǒng)和液氙存儲(chǔ)系統(tǒng),4臺(tái)用于精餾系統(tǒng)),主要有以下幾個(gè)方面的原因:首先,普發(fā)真空產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)能夠滿足嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件;其次,產(chǎn)品性能足夠優(yōu)異的基礎(chǔ)上,價(jià)格合理;再次,普發(fā)真空的輔助測(cè)量系統(tǒng)使用便捷而穩(wěn)定,能對(duì)持續(xù)大半年的不間斷探測(cè)運(yùn)行提供可靠的支持;最后,普發(fā)真空的售后服務(wù)也很完善,能夠提供各種技術(shù)支持和泄露檢測(cè)解決方案等等,從而有力地支持了整個(gè)PandaX項(xiàng)目運(yùn)行。

從現(xiàn)在到未來(lái),普發(fā)真空不斷助推暗物質(zhì)探測(cè)

目前,普發(fā)的真空泵Hicube300Pro和Hipace300已經(jīng)在PandaX-4T實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中得到了成功實(shí)踐。一方面,真空泵作為必要備件被部署于上海研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的暗物質(zhì)探測(cè)器的子系統(tǒng)中,配合優(yōu)化和升級(jí)的需要;另一方面,普發(fā)真空泵被部署于位于世界巖石覆蓋最深的四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室暗物質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。從實(shí)際探測(cè)過(guò)程看,普發(fā)真空泵基本保障了整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的低溫真空環(huán)境,為確保探測(cè)的靈敏度和精度保駕護(hù)航。值得一提的,由于系統(tǒng)運(yùn)行的特殊地理環(huán)境等因素,可靠實(shí)時(shí)地保障系統(tǒng)各層級(jí)的極限真空度,系統(tǒng)部件必須確保極低的漏率,因此PandaX-4T項(xiàng)目還使用了ASM 340D系列檢漏儀。通過(guò)采用該設(shè)備,可以有效地監(jiān)測(cè)出來(lái)細(xì)微到10-13 Pa•m3/s 的泄漏。

“在目前PandaX-4T項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)室還在研發(fā)30噸液氙的探測(cè)項(xiàng)目,希望把精度推向下一個(gè)數(shù)量級(jí)。在我們的計(jì)劃中,從2025年到2035年,這一項(xiàng)目預(yù)計(jì)總投資將達(dá)到數(shù)十億人民幣,需要購(gòu)買(mǎi)47噸液氙來(lái)進(jìn)行暗物質(zhì)探測(cè)。”對(duì)于未來(lái)的研究計(jì)劃,巨永林教授滿懷信心,也滿懷期待,“毫無(wú)疑問(wèn),液氙的量級(jí)越高,對(duì)于低溫真空環(huán)境的穩(wěn)定性要求也會(huì)越高,未來(lái)對(duì)高性能真空泵的需求也是非常大的。我們希望,以普發(fā)真空為代表的企業(yè),能為我們的基礎(chǔ)物理研究不斷提供更好的工具支持。”

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