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真空设备助力中国PandaX暗物质探测项目

2024-03-01

  在暗物质粒子的直接探测实验领域,全球有三大最先进的研究项目实验组;中国的PandaX,美国的LUX-ZEPLIN,意大利的XENON。

  人类的进步和生活方式的改变,与科学的发展和变革息息相关。从古代人对天文地理编制的美丽神线世纪好莱坞科幻大片中的“星际穿越”,人类对于广袤宇宙的向往和探索从未停止过。纵观近现代 “群星闪耀”的基础物理发展史,从牛顿,麦克斯韦到爱因斯坦,从万有引力,相对论到量子力学,超弦理论,这些重大发现和著名物理学家不断涌现,推动了现代科学的快速发展。

  在“标准宇宙学模型”中,宇宙由68%的暗能量(Dark energy)、27%的暗物质(Dark matter)和5%的普通物质(matter)组成,但迄今还没有暗物质观测的直接数据。当前探测暗物质粒子主要包括三类实验方案:一是对撞机探测,通过对撞机实验来产生暗物质粒子,进而探测出来;二是间接探测,包括卫星试验和空间站实验,例如2008年美国发射的名为Fermi的γ射线年我国发射的“悟空”暗物质粒子探测卫星;三是直接探测,通过暗物质粒子与原子核作用对暗物质粒子进行探测,但由于作用信号非常微弱,很容易湮没在大量本底环境中,因此需要把探测器放在地底深处的实验室以屏蔽宇宙射线干扰。

  在暗物质粒子的直接探测实验领域,全球有三大最先进的研究项目实验组;中国的PandaX,美国的LUX-ZEPLIN,意大利的XENON。PandaX(熊猫计划)是“粒子和天体物理氙探测器”(Particle and Astrophysical Xenon Experiments)的英文简写,是我国开展的首个百公斤级大型暗物质实验。这些实验都是利用液氙(Xe)作为探测媒介来寻找暗物质。

  PandaX项目组依托于上海交通大学粒子与核物理研究所和李政道研究所,并与中国科学技术大学,北京大学,山东大学和南开大学等相关实验室直接合作。在2016年PandaX二期实验(500公斤级液氙)已经取得了世界领先的暗物质探测灵敏度。据上海交通大学低温制冷与液化研究室负责人巨永林教授表示,目前正在进行四吨级液氙探测实验PandaX-4T,将暗物质探测灵敏度向前推进了1-2个数量级。

  考虑到探测机制原理,要探测未知的暗物质跟已知的氙原子可能产生的微弱的闪动光信号,并将其转换成电信号放大来测量,关键就是把其他已知粒子带来的信号全部排斥在外。在PandaX-4T实验项目中,包括了八个子系统:时间投影室探测系统、光电探测系统、前端电子学系统、触发和数据获取系统、气体存储和处理(又称气体纯化)系统、低温系统、精馏系统、低本底控制系统等。其中,低温制冷系统和气体纯化系统都使用了真空泵组作为必要的设备部件,来实现两个基本保障:首先是稳定的低温线度左右),减少外界环境的漏热,将探测介质氙的温度波动控制在大概±0.1k;同时,需要先将材料表面、阀门管道和管线等烘烤加快杂质气体释放,然后抽真空处理,这样氙和极少量的残余气体流经纯化系统,此过程中会吸附气体杂质(避免杂质对后期微弱信号捕捉的干扰),保障氙的纯度。

  PandaX从最开始的250公斤氙的用量,到现在的PandaX-4T,即4吨有效探测量的氙,计划未来将进行30吨级暗物质探测实验,全面覆盖暗物质的参数空间。所以,系统越大就越复杂,探测设备的尺寸越大,绝缘结构和隔热结构的层数就越多,管线数量大大增加。因而对真空泵的数量或者抽速就带来很高的要求,比如理想的夹层线帕。因此,实验项目组选择真空泵的主要性能参数(技术指标)就包含了极限真空度,真空泵抽速,密封性,尺寸规格等。据上海交通大学制冷与液化研究室负责人巨永林教授表示,目前PandaX实验组已经购买了10台普发线台用于低温系统和液氙存储系统,4台用于精馏系统),主要有以下几个方面的原因:首先,普发真空产品的主要技术指标能够满足严苛的实验条件;其次,产品性能足够优异的基础上,价格合理;再次,普发真空的辅助测量系统使用便捷而稳定,能对持续大半年的不间断探测运行提供可靠的支持;最后,普发真空的售后服务也很完善,能够提供各种技术支持和泄露检测解决方案等等,从而有力地支持了整个PandaX项目运行。

  目前,普发的线T实验项目中得到了成功实践。一方面,真空泵作为必要备件被部署于上海研发实验室的暗物质探测器的子系统中,配合优化和升级的需要;另一方面,普发真空泵被部署于位于世界岩石覆盖最深的四川锦屏地下实验室暗物质探测系统中,实现稳定运行。从实际探测过程看,普发真空泵基本保障了整个探测系统的低温真空环境,为确保探测的灵敏度和精度保驾护航。值得一提的,由于系统运行的特殊地理环境等因素,可靠实时地保障系统各层级的极限真空度,系统部件必须确保极低的漏率,因此PandaX-4T项目还使用了ASM 340D系列检漏仪。通过采用该设备,可以有效地监测出来细微到10

  -13Pa•m3/s 的泄漏。“在目前PandaX-4T项目的基础上,实验室还在研发30吨液氙的探测项目,希望把精度推向下一个数量级。在我们的计划中,从2025年到2035年,这一项目预计总投资将达到数十亿人民币,需要购买47吨液氙来进行暗物质探测。”对于未来的研究计划,巨永林教授满怀信心,也满怀期待,“毫无疑问,液氙的量级越高,对于低温真空环境的稳定性要求也会越高,未来对高性能真空泵的需求也是非常大的。我们希望,以普发真空为代表的企业,能为我们的基础物理研究不断提供更好的工具支持。”

真空设备助力中国PandaX暗物质探测项目(图1)

真空设备助力中国PandaX暗物质探测项目(图2)

  普发真空- (Stock Exchange Symbol PFV, ISIN DE0006916604)-作为全球领先的真空技术解决方案的供应商之一。我们不仅拥有全系列的复合轴承及全磁悬浮涡轮分子泵, 同时还拥有各种旋片泵,干泵,罗茨泵,多级罗茨泵,检漏仪,真空计, 质谱仪等产品以及真空管件和系统解决方案。 从普发真空发明涡轮分子泵至今, 我们在全球分析仪器、工业、科研、半导体和前端技术领域,始终代表着创新的解决方案和高品质的产品。公司自1890年创立至今百余年始终走在世界前沿, 在全球拥有 3,400 多名员工,20 多个办事处和 10 个制造工厂。

真空设备助力中国PandaX暗物质探测项目(图3)

真空设备助力中国PandaX暗物质探测项目(图4)

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