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2015年首次探測到的引力波證實了愛因斯坦廣義相對論的預(yù)測，這是當代物理學(xué)最重要的里程碑之一。不僅如此，對時空結(jié)構(gòu)中引力波的直接觀察為天文學(xué)家打開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。人們希望隨著時間的推移，新興的宇宙學(xué)數(shù)據(jù)集將產(chǎn)生獨特的見解，以解決物理學(xué)和天體物理學(xué)的基本問題，例如早期宇宙中物質(zhì)的分布，以及對暗物質(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年引力波望遠鏡束管”研討會期間，來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，進行討論最新進展。該研討會重點關(guān)真空爐體技術(shù)參數(shù)注當前和未來引力波天文臺的支持技術(shù)，特別是其超高真空（UHV）束管要求。

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

CERN 擁有超過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，當然也是最長、最先進的粒子加速器。這些設(shè)施確保了一系列開放、鼓勵和協(xié)作的研討會成果，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在真空科學(xué)、材料加工、先進制造和表面處理方面的專業(yè)知識，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)知識運用到開發(fā)真空爐體技術(shù)參數(shù)下一代引力波望遠鏡中。

▲ CERN ALICE 實驗的束管。圖片來源：歐洲核子研究組織

引力波探測方法

探測引力波的主要方法是使用激光干涉儀，該干涉儀由兩個垂直的單臂組成，單臂長數(shù)公里，呈L形排列。在L的交叉點，兩個分支中的激光束相互作用，由此產(chǎn)生的干涉信號被光電探測器捕獲。當引力波穿過地球時，它會引起干涉儀臂的不同長度變化，使得穿過兩個臂的激光束經(jīng)歷不同的路徑長度，從而導(dǎo)致相移和干涉圖樣的相應(yīng)改變。

2016年美國LIGO激光干涉儀實驗室宣稱直接測量到了引力波，使用的便是激光干涉儀。L型的兩條“臂膀”被抽成了真空，壓強只有地球大氣壓的一萬億分之一。一條“臂”的長度大約就是4千米，其中含有1.2米寬的真空爐體技術(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罩，保護真空管不受周圍環(huán)境的影響。

LIGO的探測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方向傳播。這兩束光線到達距離相等的兩個反射鏡后，沿原路反射回來并發(fā)生干涉。如果光束行進的距離完全相同，它們的光波將完美錯開，發(fā)生完全破壞性干涉，此時探測器上是探測不到激光信號的。

當有引力波經(jīng)過探測時，使探測器周圍的空間發(fā)生擾動，導(dǎo)致空間本身在一個方向上拉伸，同時在另一個方向上壓縮，兩束激光束走過的路程就會產(chǎn)生細微的差異，相位發(fā)生交錯，探測器上的光線強度就會發(fā)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

理論上這個想法非常簡單，但實際操作起來難度非常大。由引力波引起的探測器距離的變化能夠跟蹤低至10-21m，該長度大約比質(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，同時避免氣體分子對激光束的潛在散射，所以必須保證內(nèi)部真空，其超高真空束管內(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，它們可以進行的測量就越小，儀器就越靈敏，對引力波的探測就越有力。僅就LIGO本身的臂長來說，那還是遠遠不夠的。LIG真空爐體技術(shù)參數(shù)O團隊在靠近（中間斜45°放置的）分光器的每個臂中再放置一面額外的鏡子，與末端的鏡子相聚4km。這兩個鏡子之間的空間就形成了“法珀腔”（Fabry Perot cavities）。每個臂中的激光在這兩個反射鏡之間反射大約300次，將每束激光的行進距離從4km增加到1200km，這大大增加了有效臂長，提高了設(shè)備的靈敏度。

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

引力波望遠鏡

目前，有四臺引力波望遠鏡正在運行：LIGO（分布在美國的兩個站點）、意大利的 Virgo、日本的 KAGRA 和德國的 GEO600。

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

愛因斯坦望遠鏡計劃提出在地下隧道中布置一個等邊三角形（邊長20km，束管直徑1m，每個頂點都有高頻和低頻探測器）。 因此，愛因斯坦望遠鏡的真空束管預(yù)計長度為120公里，而宇宙探索者的預(yù)計真空束管長度為160公里。簡而言之：下一代引力波望遠鏡將代表有史以來最大的超高真空系統(tǒng)。

值得注意的是，運營成本與實驗束管長度的提升是下一代粒子加速器和引力波望遠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支撐這些大型設(shè)施的真空爐體技術(shù)參數(shù)運行。例如，就 CERN 擬議的未來圓形對撞機而言，就需要一個長度超過90公里的真空束管。該議題將成為未來物理界和工業(yè)供應(yīng)鏈同行進行集體對話的重要部分。

愛因斯坦望遠鏡束管

▲ 左圖：CERN EN-MME 小組的顯微鏡實驗室正在部署相關(guān)技術(shù)，包括聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡，用于分析愛因斯坦望遠鏡束管試點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。圖片來源：歐洲核子研究組織

愛因斯坦望遠鏡束管設(shè)計研究是以室女座引力波實驗為基礎(chǔ)的。該束管由奧氏體不銹鋼 （AISI 304L）制成，壁厚4毫米，用加強環(huán)加固，并配備膨脹波紋管，以吸收沖擊和振動。雖然鋼仍然是愛因斯坦望遠鏡束管的首選材料，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超高真空時無需對材料進行固態(tài)脫氣處理。

CERN 正在開發(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方面都在審查中。束管支撐系真空爐體技術(shù)參數(shù)統(tǒng)的設(shè)計旨在最大限度地減少振動傳遞到擋板，將振動頻率降低到愛因斯坦望遠鏡可控范圍內(nèi)。從隧道附近環(huán)境到束管的振動傳遞函數(shù)是另一個關(guān)鍵目標，隧道中（束管周圍）氣流和來自束管儀器的雜散電磁場引起的振動水平也要考慮在內(nèi)。

▲ CERN 團隊直接參與愛因斯坦望遠鏡的束管研究 圖片來源：歐洲核子研究組織

面臨的另一個挑戰(zhàn)是將束管集成到愛因斯坦望遠鏡隧道中。由于束管將由大約15m長的單元組成，因此必須在隧道中進行焊接。CERN 在大型強子對撞機隧道中焊接低溫傳輸線和磁體的經(jīng)驗將發(fā)揮重要作用。

最后，束流管的制造和處理工藝將對成本和真空性能產(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)致過度光散射的重要考慮因素?；覊m問題在粒子加速器中很常見，CERN在處理相關(guān)設(shè)施的經(jīng)驗會幫助到愛因斯坦望遠鏡的制造。

CERN 在管理 HL-LHC 等大型基礎(chǔ)設(shè)施項目方面的專業(yè)知識也可以幫助確保未來引力波計劃的成功。歐洲核子研究組織直接作為愛因斯坦望遠鏡射束管研究的貢獻合作伙伴。該項目于2022年9月啟動，將提交望遠鏡束管的主要技術(shù)設(shè)計報告。CERN從設(shè)計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因斯坦望遠鏡束管試驗部分的制造。圖片來源：歐洲核子研究組織

束流管試驗區(qū)也將安裝在歐洲核子研究組織（CERN），該大樓以前用于測試大型強子對撞機的低溫氦傳輸線。計劃于2025年進行多項測量，包括安裝、對準、現(xiàn)場焊接、泄漏檢測以及真空度的相關(guān)測試。