真空設(shè)備助力中國(guó)PandaX暗物質(zhì)探測(cè)項(xiàng)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(duì)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(duì)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(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)粒子主要包括三類實(shí)驗(yàn)方案：一是對(duì)撞機(jī)探測(cè)，通過對(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，是我國(guó)開展的首個(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(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，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?！?/p>