2015年首次探测到的引力波证实了爱因斯坦广义相对论的预测，这是当代物理学最重要的里程碑之一。不仅如此，对时空结构中引力波的直接观察为天文学家打开了一扇了解宇宙的新窗口，使天文学家能够研究黑洞碰撞、超新星和中子星并合等天文事件。人们希望随着时间的推移，新兴的宇宙学数据集将产生独特的见解，以解决物理学和天体物理学的基本问题，例如早期宇宙中物质的分布，以及对暗物质和暗能量的探索。

3月27日至29日在欧洲核子研究组织（CERN）举办的“2023年引力波望远镜束管”研讨会期间，来自加速器和引力波技术不同领域以及专注于钢铁生产、管道制造和真空设备公司的85名专家齐聚一堂，进行讨论最新进展。该研讨会重点关真空炉体技术参数注当前和未来引力波天文台的支持技术，特别是其超高真空（UHV）束管要求。

▲ CERN 三月研讨会合影，该研讨会致力于下一代引力波望远镜射束管的真空技术。图片来源：C Hervet

CERN 拥有超过125公里的束流管和液氦传输线，是世界上最大的真空系统之一，当然也是最长、最先进的粒子加速器。这些设施确保了一系列开放、鼓励和协作的研讨会成果，欧洲核子研究组织的技术和工程部门积极与引力波界的同行分享他们在真空科学、材料加工、先进制造和表面处理方面的专业知识，CERN拥有卓越的真空科学、技术和工程中心。Paolo Chiggiato 和 Luigi Scibile 解释了如何将全球集体专业知识运用到开发真空炉体技术参数下一代引力波望远镜中。

▲ CERN ALICE 实验的束管。图片来源：欧洲核子研究组织

引力波探测方法

探测引力波的主要方法是使用激光干涉仪，该干涉仪由两个垂直的单臂组成，单臂长数公里，呈L形排列。在L的交叉点，两个分支中的激光束相互作用，由此产生的干涉信号被光电探测器捕获。当引力波穿过地球时，它会引起干涉仪臂的不同长度变化，使得穿过两个臂的激光束经历不同的路径长度，从而导致相移和干涉图样的相应改变。

2016年美国LIGO激光干涉仪实验室宣称直接测量到了引力波，使用的便是激光干涉仪。L型的两条“臂膀”被抽成了真空，压强只有地球大气压的一万亿分之一。一条“臂”的长度大约就是4千米，其中含有1.2米宽的真空炉体技术参数真空钢管，并覆盖有10英尺宽、12英尺高的混凝土防护罩，保护真空管不受周围环境的影响。

LIGO的探测就是采用了激光干涉的原理。如下图所示，一束激光从激光仪中发出，经过一面45°倾斜放置的分光镜，分成两束相位完全相同的激光，并向互相垂直的两个方向传播。这两束光线到达距离相等的两个反射镜后，沿原路反射回来并发生干涉。如果光束行进的距离完全相同，它们的光波将完美错开，发生完全破坏性干涉，此时探测器上是探测不到激光信号的。

当有引力波经过探测时，使探测器周围的空间发生扰动，导致空间本身在一个方向上拉伸，同时在另一个方向上压缩，两束激光束走过的路程就会产生细微的差异，相位发生交错，探测器上的光线强度就会发真空炉体技术参数生明显的变化。这一干涉仪结构也被称为迈克尔逊·莫雷干涉仪。

▲ 迈克尔逊·莫雷干涉仪原理 图源：Forbes

理论上这个想法非常简单，但实际操作起来难度非常大。由引力波引起的探测器距离的变化能够跟踪低至10-21m，该长度大约比质子直径还要小10000倍！该仪器需要排除受到地震或附近道路上的交通等噪声的影响，同时避免气体分子对激光束的潜在散射，所以必须保证内部真空，其超高真空束管内部真空度需在10-9 mbar。

LIGO和典型的迈克尔逊·莫雷干涉仪的最大区别就是其规模。干涉仪的臂越长，它们可以进行的测量就越小，仪器就越灵敏，对引力波的探测就越有力。仅就LIGO本身的臂长来说，那还是远远不够的。LIG真空炉体技术参数O团队在靠近（中间斜45°放置的）分光器的每个臂中再放置一面额外的镜子，与末端的镜子相聚4km。这两个镜子之间的空间就形成了“法珀腔”（Fabry Perot cavities）。每个臂中的激光在这两个反射镜之间反射大约300次，将每束激光的行进距离从4km增加到1200km，这大大增加了有效臂长，提高了设备的灵敏度。

▲“法珀腔”结构；图源：ligo.caltech.edu

引力波望远镜

目前，有四台引力波望远镜正在运行：LIGO（分布在美国的两个站点）、意大利的 Virgo、日本的 KAGRA 和德国的 GEO600。

与此同时，研究界已经在规划下一代引力波望远镜。主要目标是探索宇宙地图，最终探测真空炉体技术参数大爆炸产生的原始引力波。其中包括欧洲的爱因斯坦望远镜和美国的宇宙探索者。宇宙探索者提出修建40km长的干涉仪臂和1.2m直径的束管，配置L形跨越两个不同的站点，是LIGO的放大版。

爱因斯坦望远镜计划提出在地下隧道中布置一个等边三角形（边长20km，束管直径1m，每个顶点都有高频和低频探测器）。 因此，爱因斯坦望远镜的真空束管预计长度为120公里，而宇宙探索者的预计真空束管长度为160公里。简而言之：下一代引力波望远镜将代表有史以来最大的超高真空系统。

值得注意的是，运营成本与实验束管长度的提升是下一代粒子加速器和引力波望远镜所面临的共同挑战，并且在核心真空技术方面必须降低成本来支撑这些大型设施的真空炉体技术参数运行。例如，就 CERN 拟议的未来圆形对撞机而言，就需要一个长度超过90公里的真空束管。该议题将成为未来物理界和工业供应链同行进行集体对话的重要部分。

爱因斯坦望远镜束管

▲ 左图：CERN EN-MME 小组的显微镜实验室正在部署相关技术，包括聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜，用于分析爱因斯坦望远镜束管试点部门考虑的候选钢材。右图：作为欧洲核子研究组织束管研究的一部分，在制造后展示了“低碳钢”预原型真空室。图片来源：欧洲核子研究组织

爱因斯坦望远镜束管设计研究是以室女座引力波实验为基础的。该束管由奥氏体不锈钢 （AISI 304L）制成，壁厚4毫米，用加强环加固，并配备膨胀波纹管，以吸收冲击和振动。虽然钢仍然是爱因斯坦望远镜束管的首选材料，但除AISI 304L以外材料也在考虑之中。例如，与含镍的奥氏体不锈钢相比，铁素体钢（即“低碳钢”）可以显著降低单位质量的成本。铁素体还具有体心立方晶体结构，与面心立方奥氏体相比，残余氢含量更低，这一特性可以在到达超高真空时无需对材料进行固态脱气处理。

CERN 正在开发相关的替代解决方案，其中包括在材料中加工厚度为1.3毫米的波纹壁，从而无需波纹管和加固材料。拥有绝缘真空或绝热体的双壁束管设计也在替代方案之中。

除了束管材料之外，研究还探索了光学挡板的集成，它间歇性地减小管道孔径以阻挡散射光子。定位、材料、表面处理和安装等各个方面都在审查中。束管支撑系真空炉体技术参数统的设计旨在最大限度地减少振动传递到挡板，将振动频率降低到爱因斯坦望远镜可控范围内。从隧道附近环境到束管的振动传递函数是另一个关键目标，隧道中（束管周围）气流和来自束管仪器的杂散电磁场引起的振动水平也要考虑在内。

▲ CERN 团队直接参与爱因斯坦望远镜的束管研究 图片来源：欧洲核子研究组织

面临的另一个挑战是将束管集成到爱因斯坦望远镜隧道中。由于束管将由大约15m长的单元组成，因此必须在隧道中进行焊接。CERN 在大型强子对撞机隧道中焊接低温传输线和磁体的经验将发挥重要作用。

最后，束流管的制造和处理工艺将对成本和真空性能产生重大影响，尤其是在灰尘控制方面，这是防止由于掉落颗粒和挡板反射率变化而导致过度光散射的重要考虑因素。灰尘问题在粒子加速器中很常见，CERN在处理相关设施的经验会帮助到爱因斯坦望远镜的制造。

CERN 在管理 HL-LHC 等大型基础设施项目方面的专业知识也可以帮助确保未来引力波计划的成功。欧洲核子研究组织直接作为爱因斯坦望远镜射束管研究的贡献合作伙伴。该项目于2022年9月启动，将提交望远镜束管的主要技术设计报告。CERN从设计和材料选择到物流和安装，还提供表面处理技术和真空技术的支持。

▲ 欧洲核子研究组织主车间将支持爱因斯坦望远镜束管试验部分的制造。图片来源：欧洲核子研究组织

束流管试验区也将安装在欧洲核子研究组织（CERN），该大楼以前用于测试大型强子对撞机的低温氦传输线。计划于2025年进行多项测量，包括安装、对准、现场焊接、泄漏检测以及真空度的相关测试。