真空設(shè)備助力中國PandaX暗物質(zhì)探測項目

人類的進(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)。從古代人對天文地理編制的美麗神話“盤古開天”，到21世紀(jì)好萊塢科幻大片中的“星際穿越”，人類對于廣袤宇宙的向往和探索從未停止過?？v觀近現(xiàn)代 “群星閃耀”的基礎(chǔ)物理發(fā)展史，從牛頓，麥克斯韋到愛因斯坦，從萬有引力，相對論到量子力學(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)，推動了現(xiàn)代科學(xué)的快速發(fā)展。

然而，近50年的時間里，基礎(chǔ)物理學(xué)稍顯停滯，并沒有出現(xiàn)能夠與相對論、量子力學(xué)等重大理論突破相提并論的新發(fā)展。正因為此，很多擁有偉大物理夢想的科學(xué)家和研究人員在著力推動基本粒子和暗物質(zhì)粒子探測研究，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，但迄今還沒有暗物質(zhì)觀測的直接數(shù)據(jù)。當(dāng)前探測暗物質(zhì)粒子主要包括三類實驗方案：一是對撞機探測，通過對撞機實驗來產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，進(jìn)而探測出來；二是間接探測，包括衛(wèi)星試驗和空間站實驗，例如2008年美國發(fā)射的名為Fermi的γ射線探測衛(wèi)星，2015年我國發(fā)射的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星；三是直接探測，通過暗物質(zhì)粒子與原子核作用對暗物質(zhì)粒子進(jìn)行探測，但由于作用信號非常微弱，很容易湮沒在大量本底環(huán)境中，因此需要把探測器放在地底深處的實驗室以屏蔽宇宙射線干擾。

中國PandaX暗物質(zhì)探測項目持續(xù)推進(jìn)

在暗物質(zhì)粒子的直接探測實驗領(lǐng)域，全球有三大最先進(jìn)的研究項目實驗組；中國的PandaX，美國的LUX-ZEPLIN，意大利的XENON。PandaX（熊貓計劃）是“粒子和天體物理氙探測器”（Particle and Astrophysical Xenon Experiments）的英文簡寫，是我國開展的首個百公斤級大型暗物質(zhì)實驗。這些實驗都是利用液氙（Xe）作為探測媒介來尋找暗物質(zhì)。

PandaX項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，并與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，北京大學(xué)，山東大學(xué)和南開大學(xué)等相關(guān)實驗室直接合作。在2016年P(guān)andaX二期實驗（500公斤級液氙）已經(jīng)取得了世界領(lǐng)先的暗物質(zhì)探測靈敏度。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)行四噸級液氙探測實驗PandaX-4T，將暗物質(zhì)探測靈敏度向前推進(jìn)了1-2個數(shù)量級。

暗物質(zhì)直接探測需要穩(wěn)定的低溫真空環(huán)境

盡管直接探測實驗在全世界已經(jīng)開展了約30年的時間，實驗靈敏度有了巨大的提高，但是到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)令人信服的暗物質(zhì)散射的信號。因此，PandaX-4T探測項目通過使用4噸液氙全面增大了靈敏度，但同時在整體實驗設(shè)計上也會有很多新挑戰(zhàn)并需要各種性能優(yōu)化。

考慮到探測機制原理，要探測未知的暗物質(zhì)跟已知的氙原子可能產(chǎn)生的微弱的閃動光信號，并將其轉(zhuǎn)換成電信號放大來測量，關(guān)鍵就是把其他已知粒子帶來的信號全部排斥在外。在PandaX-4T實驗項目中，包括了八個子系統(tǒng)：時間投影室探測系統(tǒng)、光電探測系統(tǒng)、前端電子學(xué)系統(tǒng)、觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、氣體存儲和處理（又稱氣體純化）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，來實現(xiàn)兩個基本保障：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，將探測介質(zhì)氙的溫度波動控制在大概±0.1k；同時，需要先將材料表面、閥門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)，此過程中會吸附氣體雜質(zhì)（避免雜質(zhì)對后期微弱信號捕捉的干擾），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從最開始的250公斤氙的用量，到現(xiàn)在的PandaX-4T，即4噸有效探測量的氙，計劃未來將進(jìn)行30噸級暗物質(zhì)探測實驗，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。因而對真空泵的數(shù)量或者抽速就帶來很高的要求，比如理想的夾層真空度一般需要達(dá)到10-4帕。因此，實驗項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實驗組已經(jīng)購買了10臺普發(fā)真空泵（其中6臺用于低溫系統(tǒng)和液氙存儲系統(tǒng)，4臺用于精餾系統(tǒng)），主要有以下幾個方面的原因：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)苛的實驗條件；其次，產(chǎn)品性能足夠優(yōu)異的基礎(chǔ)上，價格合理；再次，普發(fā)真空的輔助測量系統(tǒng)使用便捷而穩(wěn)定，能對持續(xù)大半年的不間斷探測運行提供可靠的支持；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)支持和泄露檢測解決方案等等，從而有力地支持了整個PandaX項目運行。

從現(xiàn)在到未來，普發(fā)真空不斷助推暗物質(zhì)探測

目前，普發(fā)的真空泵Hicube300Pro和Hipace300已經(jīng)在PandaX-4T實驗項目中得到了成功實踐。一方面，真空泵作為必要備件被部署于上海研發(fā)實驗室的暗物質(zhì)探測器的子系統(tǒng)中，配合優(yōu)化和升級的需要；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驗室暗物質(zhì)探測系統(tǒng)中，實現(xiàn)穩(wěn)定運行。從實際探測過程看，普發(fā)真空泵基本保障了整個探測系統(tǒng)的低溫真空環(huán)境，為確保探測的靈敏度和精度保駕護航。值得一提的，由于系統(tǒng)運行的特殊地理環(huán)境等因素，可靠實時地保障系統(tǒng)各層級的極限真空度，系統(tǒng)部件必須確保極低的漏率，因此PandaX-4T項目還使用了ASM 340D系列檢漏儀。通過采用該設(shè)備，可以有效地監(jiān)測出來細(xì)微到10-13 Pa?m3/s 的泄漏。

?“在目前PandaX-4T項目的基礎(chǔ)上，實驗室還在研發(fā)30噸液氙的探測項目，希望把精度推向下一個數(shù)量級。在我們的計劃中，從2025年到2035年，這一項目預(yù)計總投資將達(dá)到數(shù)十億人民幣，需要購買47噸液氙來進(jìn)行暗物質(zhì)探測。”對于未來的研究計劃，巨永林教授滿懷信心，也滿懷期待，“毫無疑問，液氙的量級越高，對于低溫真空環(huán)境的穩(wěn)定性要求也會越高，未來對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。”