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2015年首次探測(cè)到的引力波證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，這是當(dāng)代物理學(xué)最重要的里程碑之一。不僅如此，對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)中引力波的直接觀察為天文學(xué)家打開(kāi)了一扇了解宇宙的新窗口，使天文學(xué)家能夠研究黑洞碰撞、超新星和中子星并合等天文事件。人們希望隨著時(shí)間的推移，新興的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)集將產(chǎn)生獨(dú)特的見(jiàn)解，以解決物理學(xué)和天體物理學(xué)的基本問(wèn)題，例如早期宇宙中物質(zhì)的分布，以及對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的探索。

3月27日至29日在歐洲核子研究組織（CERN）舉辦的“2023年引力波望遠(yuǎn)鏡束管”研討會(huì)期間，來(lái)自加速器和引力波技術(shù)不同領(lǐng)域以及專注于鋼鐵生產(chǎn)、管道制造和真空設(shè)備公司的85名專家齊聚一堂，進(jìn)行討論最新進(jìn)展。該研討會(huì)重點(diǎn)關(guān)長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)注當(dāng)前和未來(lái)引力波天文臺(tái)的支持技術(shù)，特別是其長(zhǎng)春超高真空（UHV）束管要求。

▲ CERN 三月研討會(huì)合影，該研討會(huì)致力于下一代引力波望遠(yuǎn)鏡射束管的真空技術(shù)。圖片來(lái)源：C Hervet

CERN 擁有超過(guò)125公里的束流管和液氦傳輸線，是世界上最大的真空系統(tǒng)之一，當(dāng)然也是最長(zhǎng)、最先進(jìn)的粒子加速器。這些設(shè)施確保了一系列開(kāi)放、鼓勵(lì)和協(xié)作的研討會(huì)成果，歐洲核子研究組織的技術(shù)和工程部門積極與引力波界的同行分享他們?cè)谡婵湛茖W(xué)、材料加工、先進(jìn)制造和表面處理方面的專業(yè)知識(shí)，CERN擁有卓越的真空科學(xué)、技術(shù)和工程中心。Paolo Chiggiato 和 Luigi Scibile 解釋了如何將全球集體專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到開(kāi)發(fā)長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)下一代引力波望遠(yuǎn)鏡中。

▲ CERN ALICE 實(shí)驗(yàn)的束管。圖片來(lái)源：歐洲核子研究組織

引力波探測(cè)方法

探測(cè)引力波的主要方法是使用激光干涉儀，該干涉儀由兩個(gè)垂直的單臂組成，單臂長(zhǎng)數(shù)公里，呈L形排列。在L的交叉點(diǎn)，兩個(gè)分支中的激光束相互作用，由此產(chǎn)生的干涉信號(hào)被光電探測(cè)器捕獲。當(dāng)引力波穿過(guò)地球時(shí)，它會(huì)引起干涉儀臂的不同長(zhǎng)度變化，使得穿過(guò)兩個(gè)臂的激光束經(jīng)歷不同的路徑長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致相移和干涉圖樣的相應(yīng)改變。

2016年美國(guó)LIGO激光干涉儀實(shí)驗(yàn)室宣稱直接測(cè)量到了引力波，使用的便是激光干涉儀。L型的兩條“臂膀”被抽成了真空，壓強(qiáng)只有地球大氣壓的一萬(wàn)億分之一。一條“臂”的長(zhǎng)度大約就是4千米，其中含有1.2米寬的長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)真空鋼管，并覆蓋有10英尺寬、12英尺高的混凝土防護(hù)罩，保護(hù)真空管不受周圍環(huán)境的影響。

LIGO的探測(cè)就是采用了激光干涉的原理。如下圖所示，一束激光從激光儀中發(fā)出，經(jīng)過(guò)一面45°傾斜放置的分光鏡，分成兩束相位完全相同的激光，并向互相垂直的兩個(gè)方向傳播。這兩束光線到達(dá)距離相等的兩個(gè)反射鏡后，沿原路反射回來(lái)并發(fā)生干涉。如果光束行進(jìn)的距離完全相同，它們的光波將完美錯(cuò)開(kāi)，發(fā)生完全破壞性干涉，此時(shí)探測(cè)器上是探測(cè)不到激光信號(hào)的。

當(dāng)有引力波經(jīng)過(guò)探測(cè)時(shí)，使探測(cè)器周圍的空間發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致空間本身在一個(gè)方向上拉伸，同時(shí)在另一個(gè)方向上壓縮，兩束激光束走過(guò)的路程就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的差異，相位發(fā)生交錯(cuò)，探測(cè)器上的光線強(qiáng)度就會(huì)發(fā)長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)生明顯的變化。這一干涉儀結(jié)構(gòu)也被稱為邁克爾遜·莫雷干涉儀。

▲ 邁克爾遜·莫雷干涉儀原理 圖源：Forbes

理論上這個(gè)想法非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作起來(lái)難度非常大。由引力波引起的探測(cè)器距離的變化能夠跟蹤低至10-21m，該長(zhǎng)度大約比質(zhì)子直徑還要小10000倍！該儀器需要排除受到地震或附近道路上的交通等噪聲的影響，同時(shí)避免氣體分子對(duì)激光束的潛在散射，所以必須保證內(nèi)部真空，其長(zhǎng)春超高真空束管內(nèi)部真空度需在10-9 mbar。

LIGO和典型的邁克爾遜·莫雷干涉儀的最大區(qū)別就是其規(guī)模。干涉儀的臂越長(zhǎng)，它們可以進(jìn)行的測(cè)量就越小，儀器就越靈敏，對(duì)引力波的探測(cè)就越有力。僅就LIGO本身的臂長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，那還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。LIG長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)O團(tuán)隊(duì)在靠近（中間斜45°放置的）分光器的每個(gè)臂中再放置一面額外的鏡子，與末端的鏡子相聚4km。這兩個(gè)鏡子之間的空間就形成了“法珀腔”（Fabry Perot cavities）。每個(gè)臂中的激光在這兩個(gè)反射鏡之間反射大約300次，將每束激光的行進(jìn)距離從4km增加到1200km，這大大增加了有效臂長(zhǎng)，提高了設(shè)備的靈敏度。

▲“法珀腔”結(jié)構(gòu)；圖源：ligo.caltech.edu

引力波望遠(yuǎn)鏡

目前，有四臺(tái)引力波望遠(yuǎn)鏡正在運(yùn)行：LIGO（分布在美國(guó)的兩個(gè)站點(diǎn)）、意大利的 Virgo、日本的 KAGRA 和德國(guó)的 GEO600。

與此同時(shí)，研究界已經(jīng)在規(guī)劃下一代引力波望遠(yuǎn)鏡。主要目標(biāo)是探索宇宙地圖，最終探測(cè)長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)大爆炸產(chǎn)生的原始引力波。其中包括歐洲的愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)的宇宙探索者。宇宙探索者提出修建40km長(zhǎng)的干涉儀臂和1.2m直徑的束管，配置L形跨越兩個(gè)不同的站點(diǎn)，是LIGO的放大版。

愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃提出在地下隧道中布置一個(gè)等邊三角形（邊長(zhǎng)20km，束管直徑1m，每個(gè)頂點(diǎn)都有高頻和低頻探測(cè)器）。 因此，愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡的真空束管預(yù)計(jì)長(zhǎng)度為120公里，而宇宙探索者的預(yù)計(jì)真空束管長(zhǎng)度為160公里。簡(jiǎn)而言之：下一代引力波望遠(yuǎn)鏡將代表有史以來(lái)最大的長(zhǎng)春超高真空系統(tǒng)。

值得注意的是，運(yùn)營(yíng)成本與實(shí)驗(yàn)束管長(zhǎng)度的提升是下一代粒子加速器和引力波望遠(yuǎn)鏡所面臨的共同挑戰(zhàn)，并且在核心真空技術(shù)方面必須降低成本來(lái)支撐這些大型設(shè)施的長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)運(yùn)行。例如，就 CERN 擬議的未來(lái)圓形對(duì)撞機(jī)而言，就需要一個(gè)長(zhǎng)度超過(guò)90公里的真空束管。該議題將成為未來(lái)物理界和工業(yè)供應(yīng)鏈同行進(jìn)行集體對(duì)話的重要部分。

愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡束管

▲ 左圖：CERN EN-MME 小組的顯微鏡實(shí)驗(yàn)室正在部署相關(guān)技術(shù)，包括聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡，用于分析愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡束管試點(diǎn)部門考慮的候選鋼材。右圖：作為歐洲核子研究組織束管研究的一部分，在制造后展示了“低碳鋼”預(yù)原型真空室。圖片來(lái)源：歐洲核子研究組織

愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡束管設(shè)計(jì)研究是以室女座引力波實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。該束管由奧氏體不銹鋼 （AISI 304L）制成，壁厚4毫米，用加強(qiáng)環(huán)加固，并配備膨脹波紋管，以吸收沖擊和振動(dòng)。雖然鋼仍然是愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡束管的首選材料，但除AISI 304L以外材料也在考慮之中。例如，與含鎳的奧氏體不銹鋼相比，鐵素體鋼（即“低碳鋼”）可以顯著降低單位質(zhì)量的成本。鐵素體還具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，與面心立方奧氏體相比，殘余氫含量更低，這一特性可以在到達(dá)長(zhǎng)春超高真空時(shí)無(wú)需對(duì)材料進(jìn)行固態(tài)脫氣處理。

CERN 正在開(kāi)發(fā)相關(guān)的替代解決方案，其中包括在材料中加工厚度為1.3毫米的波紋壁，從而無(wú)需波紋管和加固材料。擁有絕緣真空或絕熱體的雙壁束管設(shè)計(jì)也在替代方案之中。

除了束管材料之外，研究還探索了光學(xué)擋板的集成，它間歇性地減小管道孔徑以阻擋散射光子。定位、材料、表面處理和安裝等各個(gè)方面都在審查中。束管支撐系長(zhǎng)春真空爐體技術(shù)參數(shù)統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在最大限度地減少振動(dòng)傳遞到擋板，將振動(dòng)頻率降低到愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡可控范圍內(nèi)。從隧道附近環(huán)境到束管的振動(dòng)傳遞函數(shù)是另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，隧道中（束管周圍）氣流和來(lái)自束管儀器的雜散電磁場(chǎng)引起的振動(dòng)水平也要考慮在內(nèi)。

▲ CERN 團(tuán)隊(duì)直接參與愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡的束管研究 圖片來(lái)源：歐洲核子研究組織

面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是將束管集成到愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡隧道中。由于束管將由大約15m長(zhǎng)的單元組成，因此必須在隧道中進(jìn)行焊接。CERN 在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)隧道中焊接低溫傳輸線和磁體的經(jīng)驗(yàn)將發(fā)揮重要作用。

最后，束流管的制造和處理工藝將對(duì)成本和真空性能產(chǎn)生重大影響，尤其是在灰塵控制方面，這是防止由于掉落顆粒和擋板反射率變化而導(dǎo)致過(guò)度光散射的重要考慮因素。灰塵問(wèn)題在粒子加速器中很常見(jiàn)，CERN在處理相關(guān)設(shè)施的經(jīng)驗(yàn)會(huì)幫助到愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡的制造。

CERN 在管理 HL-LHC 等大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目方面的專業(yè)知識(shí)也可以幫助確保未來(lái)引力波計(jì)劃的成功。歐洲核子研究組織直接作為愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡射束管研究的貢獻(xiàn)合作伙伴。該項(xiàng)目于2022年9月啟動(dòng)，將提交望遠(yuǎn)鏡束管的主要技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告。CERN從設(shè)計(jì)和材料選擇到物流和安裝，還提供表面處理技術(shù)和真空技術(shù)的支持。

▲ 歐洲核子研究組織主車間將支持愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡束管試驗(yàn)部分的制造。圖片來(lái)源：歐洲核子研究組織

束流管試驗(yàn)區(qū)也將安裝在歐洲核子研究組織（CERN），該大樓以前用于測(cè)試大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的低溫氦傳輸線。計(jì)劃于2025年進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)量，包括安裝、對(duì)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)焊接、泄漏檢測(cè)以及真空度的相關(guān)測(cè)試。