真空技术

2020 年 4 月，芝加哥大学的天体物理学家见证了一次不寻常事件 — 两个质量相差极大的黑洞发生碰撞。这一事件的意义在于其对天体物理学和引力物理学的影响。简而言之，它让天文学家了解了黑洞的旋转方式，同时为引力波的存在提供了实验证据，阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论曾预测过引力波的存在，但从未被观测到过。

助力探索黑洞

他们如何做到的？这门科学背后的基础实验需要使用复杂的仪器，并在最苛刻的真空条件下运行。事实上，“真空”技术处于几乎所有高能物理学、粒子加速和表面科学的前沿。真空可以描述为“压力低于周围大气压的气体状态”。真空科学是一门学科和一种概念，几千年来激发了许多伟大的想法。

真空科学的起源最早可以追溯到 4 世纪，当时亚里士多德说“自然界厌恶真空”。地球上可实现的最高真空水平称为超高真空 (UHV)，通过一种名为“离子泵”的设备获得：离子泵技术的所有重大创新都是从 1957 年 Varian Vacuum（现为安捷伦真空）发明的溅射离子泵以及开创了 UHV 时代的 ConFlat 法兰 (CFF) 发展而来。如今，真空解决方案已成为世界各地的科研与政府实验室以及大型物理项目的重要推动力。

引力波

引力波是宇宙中看不见的涟漪。它们以光速（每秒 18.6 万英里）传播，并在传播过程中挤压和拉伸路径中的一切物体。爱因斯坦曾在相对论中预测，当两个天体（例如行星或恒星）围绕彼此运行时会发生独特的事件。他推测，这种运动可能会在宇宙中产生涟漪，并像池塘里的涟漪一样扩散。科学家将这些涟漪称为宇宙引力波。

当物体以极快的速度运动时，会产生强大的引力波。可能导致引力波的事件包括：恒星不对称爆炸（超新星），两颗大型恒星相互环绕，或者两个黑洞相互环绕并合并。

2015 年，科学家首次探测到引力波。他们使用一种名为激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的高灵敏度仪器完成了此次探测。科学家发现，碰撞发生在 13 亿年前，尽管直到 2015 年才检测到其产生的引力波。

LIGO — 与真空的关系

LIGO 旨在通过直接探测引力波来开启引力波天体物理学领域的大门。它采用数公里规模的引力波探测器进行探测，该探测器采用激光干涉测量技术探测来自灾难性宇宙事件的引力波在时空中产生的微小涟漪。这些宇宙事件可能包括双中子星或黑洞的合并。LIGO 由美国境内两个相距很远的干涉仪组成，一个位于华盛顿的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。在这些跨越数公里的探测器中创造超洁净、稳定的高真空对整个系统的运行至关重要，也是主要的技术挑战之一。此外，对这些检测器还有其他一些关键要求 — 正常运行时间、可靠性和无振动运行。

安捷伦设计并制造了定制离子泵来满足上述所有严格标准，为成功进行这一实验提供了理想的真空条件。

深入探索

坐落于智利 Cerro Pachón 山顶的大型综合巡天望远镜 (LSST) 是目前天文学领域最大的数码相机。它配备一个 8 米的宽视场地基望远镜、一个 32 亿像素的相机和一个自动数据处理系统。LSST 项目的目标很简单：以每隔几晚的频率获得可见天空每个部分的图像，对巨大的天空区域进行深入研究，并将这种模式持续 10 年，从而编制比以前的天文目录丰富数千倍的天文目录。

LSST 目前正在建设中，计划于 2022 年 10 月开始全面运行：开发人员预计，在这个项目结束时，该望远镜编目的星系数量将超过地球上的人口总数。它将生成庞大的公共数据档案，预计将极大地提升我们对构成宇宙 95% 的暗能量和暗物质以及星系形成和潜在的危险小行星的认识。

LSST — 与真空的关系

需要使用真空来排空 LSST 相机的低温恒温器部分 — 相机的“心脏”（焦平面所在的位置）。它使 LSST 团队能够通过尽可能排出正常大气中的气体来保护相机的核心，同时在极具挑战性的环境和操作条件下控制压力。LSST 内部配备安捷伦涡旋泵、离子泵和涡轮分子泵 — 它们共同帮助 LSST 对新星系进行拍摄和编目。项目团队选择安捷伦离子泵的原因之一在于它们不含活动部件。这意味着泵运行期间不会发生振动，可以避免对 LSST 相机的干扰，确保所采集数据的质量。

由于在高压环境下运行离子泵通常会缩短泵的寿命，研究人员还对安捷伦离子泵的使用寿命进行了验证，确保其能够在 LSST 项目预计的 10 年期限内持续运行。

真空技术还有另一个用途 — 涡旋式干泵和涡轮分子泵需要在极端环境条件下可靠运行。智利山顶的温度在 –10 °C 到 10 °C 之间。在低温下，轴承润滑剂和电子设备可能会出现故障，而偏远地区的长时间停机可能会严重影响 LSST 项目。

上帝粒子

希格斯玻色子（通常被称为“上帝粒子”）是粒子物理标准模型中的基本粒子。该标准模型认为，自然界的基本力来自宇宙的特性，称为规范不变性和对称性。这些力由一种叫做规范玻色子的粒子传递。希格斯玻色子是希格斯场（粒子物理理论中的一个场）的量子激发产生的，因此以物理学家皮特·希格斯的名字命名，皮特·希格斯于 1964 年与其他五位科学家共同提出了希格斯机制，用以解释为什么有些粒子具有质量。2012 年，科学家们通过在位于瑞士的 CERN* 大型强子对撞机 (LHC) 上进行的 ATLAS 和 CMS 实验最终确认了它的存在，希格斯和恩格勒因此被授予 2013 年诺贝尔物理学奖。

上帝粒子 — 与真空的关系

自 1967 年以来，Varian Vacuum（现已加入安捷伦）一直与欧洲核子研究组织 (CERN) 合作。安捷伦与世界领先的原子物理研究组织的合作始于在意大利都灵开设的一家工厂。该工厂的目的是制造能够为实验创造超高真空 (UHV) 的离子泵。从那之后，CERN 便开始在一些要求极为苛刻的粒子物理实验中使用安捷伦真空泵，包括 2012 年希格斯玻色子的鉴定。2020 年 9 月，安捷伦与 CERN 签订合同，在未来四年内为其生产离子泵和控制器。该合同是双方长期合作伙伴关系中的新里程碑，标志着对双方合作关系及其将带来的伟大科学成就的信心。

持续捕捉时间和空间

随着科技的不断进步，真空技术将在以超出我们想象的方式捕捉时间和空间的非凡仪器和系统的开发中发挥不可或缺的作用。始于 17 世纪的真空科学无疑将成为未来许多发现和进步的核心。