由Exel复合材料设计和制造的碳纤维组件已经在日内瓦CERN的大型强子对撞机(LHC)粒子加速器中完成了9年的高精确度应用。
作为LHC的紧凑μ介子电磁阀(CMS)探测器中粒子跟踪器的关键部件,Exel拉出的轮廓必须满足严格的维度公差,并在这个充满挑战的环境中保持最佳的性能,任何停机或失败都将对一些重大科学实验产生影响。
LHC是世界上最大最强的粒子加速器。它由一个27公里的超导磁体环组成,有许多加速结构,以提高粒子的能量。在加速器内部,两个高能量的质子束以接近光速的速度向相反的方向运动,然后在其环周围的四个位置碰撞。CMS探测器位于四个碰撞点之一,记录了粒子使用硅跟踪器的路径,该跟踪器由大约7500万个独立的电子传感器通道组成。
Exel组件是支持硅跟踪器模块的688个高精度结构的一部分。这些材料是由两个1.2米长的碳纤维环氧复合材料制成的,它的壁厚为0.7毫米,而且为L型的交叉杆,从而形成了一个框架结构,在这个框架中,粒子探测模块的位置。除了提供这个应用所需的轻量和辐射透明度之外,重要的是,Exel组件在尺寸和平直度方面达到了极其严格的程度,并且在CMS中遇到的低温环境中依然可以保持良好的机械性能。为了提供高强度的刚度和热稳定性,公司采用高模数单向(UD)碳纤维来设计型材。此外,还采用了薄玻璃纤维表面组织来改进加工。所有的部件和固定装置在赫尔辛基物理研究所的夹具上组装和粘合,制造出了一种尺寸公差为0.05毫米的结构。
Exel在生产高性能薄壁拉浆材料方面的能力,以及该公司在设计高模量碳纤维方面的经验,据说是该项目的关键成功因素。Exel还与CERN合作,提供了大约200公里的绝缘玻璃纤维材料,以建立大型强子对撞机的超导体。
Exel在2001年至2005年期间向CERN提供了跟踪支持配置文件,并于2008年开始使用。CMS探测器一直表现出色,在2012年发现了一种新的基本粒子——希格玻色子。
CERN的CMS跟踪项目工程师Antti Onnela说:“我们对Exel复合材料提供的高技术和发展支持非常满意,我们对这些复合结构有相当大的挑战性,早期的层压版本没有达到它们的要求。Exel开发了需要的薄壁u型,这一技术在技术上更先进,但也更经济,因为生产过程减少了昂贵的碳纤维的浪费。在CMS应用了9年之后,Exel的部分继续表现完美,就像在开始时一样。”