真空設備助力中國PandaX暗物質(zhì)探測項目

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)。從古代人對天文地理編制的美麗神話(huà)“盤(pán)古開(kāi)天”，到21世紀好萊塢科幻大片中的“星際穿越”，人類(lèi)對于廣袤宇宙的向往和探索從未停止過(guò)?？v觀(guān)近現代 “群星閃耀”的基礎物理發(fā)展史，從牛頓，麥克斯韋到愛(ài)因斯坦，從萬(wàn)有引力，相對論到量子力學(xué)，超弦理論，這些重大發(fā)現和著(zhù)名物理學(xué)家不斷涌現，推動(dòng)了現代科學(xué)的快速發(fā)展。

然而，近50年的時(shí)間里，基礎物理學(xué)稍顯停滯，并沒(méi)有出現能夠與相對論、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(mèng)想的科學(xué)家和研究人員在著(zhù)力推動(dòng)基本粒子和暗物質(zhì)粒子探測研究，期待可以直達真理，不斷探索宇宙的終極秘密。

在“標準宇宙學(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(guān)測的直接數據。當前探測暗物質(zhì)粒子主要包括三類(lèi)實(shí)驗方案：一是對撞機探測，通過(guò)對撞機實(shí)驗來(lái)產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，進(jìn)而探測出來(lái)；二是間接探測，包括衛星試驗和空間站實(shí)驗，例如2008年美國發(fā)射的名為Fermi的γ射線(xiàn)探測衛星，2015年我國發(fā)射的“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛星；三是直接探測，通過(guò)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(méi)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(shí)驗室以屏蔽宇宙射線(xiàn)干擾。

中國PandaX暗物質(zhì)探測項目持續推進(jìn)

在暗物質(zhì)粒子的直接探測實(shí)驗領(lǐng)域，全球有三大最先進(jìn)的研究項目實(shí)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(jiǎn)寫(xiě)，是我國開(kāi)展的首個(gè)百公斤級大型暗物質(zhì)實(shí)驗。這些實(shí)驗都是利用液氙（Xe）作為探測媒介來(lái)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(kāi)大學(xué)等相關(guān)實(shí)驗室直接合作。在2016年P(guān)andaX二期實(shí)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。據上海交通大學(xué)低溫制冷與液化研究室負責人巨永林教授表示，目前正在進(jìn)行四噸級液氙探測實(shí)驗PandaX-4T，將暗物質(zhì)探測靈敏度向前推進(jìn)了1-2個(gè)數量級。

暗物質(zhì)直接探測需要穩定的低溫真空環(huán)境

盡管直接探測實(shí)驗在全世界已經(jīng)開(kāi)展了約30年的時(shí)間，實(shí)驗靈敏度有了巨大的提高，但是到目前為止，還沒(méi)有發(fā)現令人信服的暗物質(zhì)散射的信號。因此，PandaX-4T探測項目通過(guò)使用4噸液氙全面增大了靈敏度，但同時(shí)在整體實(shí)驗設計上也會(huì )有很多新挑戰并需要各種性能優(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(dòng)光信號，并將其轉換成電信號放大來(lái)測量，關(guān)鍵就是把其他已知粒子帶來(lái)的信號全部排斥在外。在PandaX-4T實(shí)驗項目中，包括了八個(gè)子系統：時(shí)間投影室探測系統、光電探測系統、前端電子學(xué)系統、觸發(fā)和數據獲取系統、氣體存儲和處理（又稱(chēng)氣體純化）系統、低溫系統、精餾系統、低本底控制系統等。其中，低溫制冷系統和氣體純化系統都使用了真空泵組作為必要的設備部件，來(lái)實(shí)現兩個(gè)基本保障：首先是穩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(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(xiàn)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，此過(guò)程中會(huì )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(hù)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，到現在的PandaX-4T，即4噸有效探測量的氙，計劃未來(lái)將進(jìn)行30噸級暗物質(zhì)探測實(shí)驗，全面覆蓋暗物質(zhì)的參數空間。所以，系統越大就越復雜，探測設備的尺寸越大，絕緣結構和隔熱結構的層數就越多，管線(xiàn)數量大大增加。因而對真空泵的數量或者抽速就帶來(lái)很高的要求，比如理想的夾層真空度一般需要達到10-4帕。因此，實(shí)驗項目組選擇真空泵的主要性能參數（技術(shù)指標）就包含了極限真空度，真空泵抽速，密封性，尺寸規格等。

據上海交通大學(xué)制冷與液化研究室負責人巨永林教授表示，目前PandaX實(shí)驗組已經(jīng)購買(mǎi)了10臺普發(fā)真空泵（其中6臺用于低溫系統和液氙存儲系統，4臺用于精餾系統），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)指標能夠滿(mǎn)足嚴苛的實(shí)驗條件；其次，產(chǎn)品性能足夠優(yōu)異的基礎上，價(jià)格合理；再次，普發(fā)真空的輔助測量系統使用便捷而穩定，能對持續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(gè)PandaX項目運行。

從現在到未來(lái)，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(shí)驗項目中得到了成功實(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)驗室的暗物質(zhì)探測器的子系統中，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(shí)驗室暗物質(zhì)探測系統中，實(shí)現穩定運行。從實(shí)際探測過(guò)程看，普發(fā)真空泵基本保障了整個(gè)探測系統的低溫真空環(huán)境，為確保探測的靈敏度和精度保駕護航。值得一提的，由于系統運行的特殊地理環(huán)境等因素，可靠實(shí)時(shí)地保障系統各層級的極限真空度，系統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(guò)采用該設備，可以有效地監測出來(lái)細微到10-13 Pa?m3/s 的泄漏。

 “在目前PandaX-4T項目的基礎上，實(shí)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(gè)數量級。在我們的計劃中，從2025年到2035年，這一項目預計總投資將達到數十億人民幣，需要購買(mǎi)47噸液氙來(lái)進(jìn)行暗物質(zhì)探測?！睂τ谖磥?lái)的研究計劃，巨永林教授滿(mǎn)懷信心，也滿(mǎn)懷期待，“毫無(wú)疑問(wèn)，液氙的量級越高，對于低溫真空環(huán)境的穩定性要求也會(huì )越高，未來(lái)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)，能為我們的基礎物理研究不斷提供更好的工具支持?！?/p>