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一座350米高的塔,用于净化氩气

欧洲核子研究中心正在参与一个名为ARIA的测试阶段项目,用于建造一个350米高的蒸馏塔,用于净化液态氩(LAr)用于科学研究,并在第二阶段用于医疗和其他可能的使用。


由28个相同模块以及顶部(冷凝器)和底部(再沸腾)特殊模块组成的整个塔将安装在意大利撒丁岛的煤矿废弃井中。该项目旨在为INFN的Gran Sasso国家实验室的国际暗物质实验DarkSide提供最纯净的氩气。 


DarkSide是一个双相液氩时间投影室,旨在探测暗物质粒子以弱相互作用的质量粒子(WIMP)的形式通过,当它撞击探测器中的氩核时。由于预测这种WIMP-核相互作用非常罕见,因此探测器必须只包含最纯的氩气,以免意外产生杂散信号。


ARIA旨在生产这种超纯氩气。大气氩含有许多“杂质”,如水,氧,氪和氩-39,氩的同位素,它们都是不需要的信号源。来自地下水源的氩已经从氩-39同位素中消耗了1400倍,但这仍然不足以进行暗物质研究。ARIA旨在通过一个非常简单的物理原理,将每次通过氩-39的地下氩净化10倍,只留下无线电稳定的氩-40同位素:两种同位素具有不同的挥发性,这意味着氩-39比氩-40更快地蒸发,因为它的核中核子少一个。


通过标准蒸馏方法进行分离。首先,氩气以大约三分之二的气态注入色谱柱。气体到达塔的顶部,在那里被冷凝。液体开始流入塔底部,进入再沸器并再次转化为气体。在底部,提取一小部分富含氩-40的流作为蒸馏产物,而在顶部除去一小部分富含氩-39的流。


虽然这个过程很像标准蒸馏,但也存在一定的差异。其中一个是柱子的壮观尺寸 - 它有350米,它在世界上是独一无二的。此外,为了增强同位素分离能力,ARIA填充了一种特殊的填料,使该塔相当于一系列约3000个单级蒸馏工艺。此外,塔中总流量的不到1份被提取为产物,这意味着塔的工作非常接近其总回流条件。

色谱柱的大小及其工作条件是真正的技术挑战,色谱柱的实现需要在安装前和安装过程中对每个模块进行多次质量检查。


施工完成后,模块被送到CERN,在那里,它们一个接一个地被技术部的真空,表面和涂层(VSC)组进行泄漏测试。11月24日星期五,顶部和底部模块以及一个标准模块被带到180号楼,并在焊接前排成一列,以精确检查其对齐,几何形状和互连接口。在此之后,这三个模块将被带到撒丁岛,在那里它们将被垂直组装,最初在地面上,开始操作并在组装矿井中的完整柱之前测试它们的功能。


预计ARIA将在2018年底完全组装并于2019年开始运行。一旦该技术得到证实,许多其他空气成分,如氧气-18,氮气-15和碳-13,可以通过应用同样的过程。这些元素在许多研究和技术领域具有重要应用,包括用于检测癌症的诊断技术。


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