源自CERN的专利如何华丽转身
■小溪/文
■何平/审校
欧洲核子研究中心(CERN)跨越瑞士和法国边境。目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)建在地下100米、总长约27公里环形隧道内。
日内瓦国际机场(GVA)位于瑞士与法国边境，是瑞士的重要空中枢纽。
欧洲核子研究中心(CERN)与日内瓦国际机场(GVA)位置图(图片来自网络)
这两个机构的地理位置虽然相近但性质完全不同，原本应该没有什么技术方面的交集。可是，覆盖在日内瓦国际机场主航站楼上的数百个太阳能热板却将它们联系在了一起。
用于日内瓦国际机场主航站楼的太阳能热板(图片来自网络)
太阳能板挺多见，这些太阳能热板有何不同么？的确不一样，即使是在阳光被云彩遮挡的天气和冰雪覆盖的冬季环境下，这些太阳能热板内部的温度仍可达80摄氏度，热能被高效转为电能后用于保持日内瓦国际机场主航站楼的温度。
究竟用了什么技术能获得如此神奇的效果呢？令人惊喜的是：相关技术竟然源自CERN研制粒子加速器开发真空技术所衍生的专利。
■一则新闻
2012年3月10日，CERN发布了一则题为“用CERN技术制造太阳能热板”的新闻：大约300个新型的太阳能热板将在日内瓦国际机场主航站楼的屋顶上覆盖1200平方米的表面。这是瑞士最大的太阳能应用系统之一，用于在冬季保持建筑物的温暖和夏天的凉爽。
多个媒体就此作了报道：这些太阳能热板是由CERN研制粒子加速器时所开发的真空技术衍生出来的，CERN为此申请了专利，专利发明人为本韦努蒂(CristoforoBenvenuti)。
CERN News: Solar Thermal Panels MadeWith CERN Technology(图片来自网络)
《Symmetry》的报道：CERNspin-off: More efficient solar panels(图片来自网络)
本韦努蒂是谁？他在CERN发明了什么专利，又如何应用于太阳能热板？
各类资料中对本韦努蒂的介绍都较为简单：他1940年出生于意大利米兰，1963年毕业于物理专业，先在意大利的伊斯普拉研究中心谋职，1966年加入CERN。最初从事真空技术工作，后来研究材料技术，最后成为加速器工程服务部门的负责人。
本韦努蒂(CristoforoBenvenuti)(图片来自网络)
本韦努蒂几乎在CERN工作了一辈子，他是真空及材料技术方面的专家，工作中取得了多项重要成果。1998年，他获得粒子加速器领域的“年度成就和创新奖”，表彰他在LEP的真空技术及研发超导加速腔方面的贡献；2002年获得美国真空学会颁发的盖德朗格缪尔奖(该奖项每两年颁发一次，是真空领域的主要奖项之一)。
■技术与专利
从技术层面上说，超高真空对于粒子加速器至关重要。被加速的粒子只有在真空环境中运行，才能保持足够的寿命，并且不断地被积累和加速，达到设计的能量和流强。而粒子对撞机因所加速的粒子要发生对撞，粒子束在一段时间内需在真空管道内连续运行数个小时，这就需要更完美的真空。1971年，世界上第一个质子-质子对撞机的交叉存储环(ISR)开始在CERN运行，一般认为这标志着超高真空研究的开始。
20世纪80年代末，CERN建造大型电子正电子对撞机(LEP)时创造了新的真空度记录。LEP储存环的周长27公里，能达到设计所要求的极高真空度，本韦努蒂发明的非蒸发型吸气剂NEG(Non-Evaporable Getter)技术功不可没。
本韦努蒂采用的方法是将TiZrV合金材料制成的吸气剂粉末压制在带状的基材上，这种吸气带能够不断吸附真空管道中的残余气体分子。将这种吸气带安装在与粒子束流真空管道平行的真空抽气室中，可使整个系统的真空管道达到并能保持高的真空度。LEP的大部分真空系统采用NEG吸气带作为主抽气泵(总长度约20公里)，每间隔20米需配备一台30 L / s的溅射离子泵用于抽除管道里的Ar(氩)和CH4(甲烷)，使整个系统达到10-11Pa的极高真空度。
NEG吸气带在LEP束流真空管内部的安装示意图(图片来自网络)
LEP束流真空管内部的NEG吸气带(图片来自网络)
当时，还有一个技术上的难点影响了NEG技术的推广应用。粒子加速器真空系统中的NEG吸气带需要加热到750摄氏度将吸气剂材料激活后才能发挥抽气作用，要达到如此高的激活温度技术上有较大难度。CERN与意大利的SAES吸气剂公司联合，对几十种不同材料组合的NEG吸气剂进行多种实验，最后终于将吸气剂材料的激活温度由750摄氏度降到了400摄氏度以下。
基于这一关键性的突破又产生了新的NEG管道泵技术，即：用磁控溅射将TiZrV吸气剂材料薄膜直接沉积在真空室的内壁，用真空室外的加热装置就可以实现吸气剂材料的加热激活，也无需再另外再配置分布式的抽气泵。这项全新的技术既解决了细长真空管道内压力分布梯度过大的问题，又进一步简化了真空室的结构，完成了粒子加速器超高/极高真空技术的一个飞跃。
20世纪90年代，在CERN建造大型强子对撞机(LHC)时，NEG管道泵技术发挥了重要作用。CERN建立了大型NEG镀膜装置，用以完成LHC长达6公里的常温区束流真空管道内壁的NEG镀膜。与此同时，各国在新建粒子加速器的真空系统上都普遍开始尝试应用这种技术。
本韦努蒂在CERN工作期间为他发明的超高真空技术申请了数项专利，CERN的成员国拥有使用相关专利的许可。
■华丽转身
得益于CERN对技术专利的大力宣传，本韦努蒂有机会与投资者一起创建了“SRB”能源公司。SRB能源公司于2005年获得了超高真空技术的专利授权，生产设备建在西班牙的巴伦西亚，相关的技术研发仍在CERN进行。本韦努蒂从CERN退休后致力于这些专利技术的转化、生产和商业化。
CERN超高真空的专利技术为新型太阳能热板提供了具有特殊隔热功能的热室，大大减少了热量损失提高了效率，还能更有效地利用漫射光产生的能量，并能延长太阳能板的使用寿命。这种太阳能热板特别适合用于气候较冷、日照较少的环境。源自CERN的专利就这样华丽转身了。
日内瓦国际机场主航站楼屋顶的太阳能热板应用了源自CERN的专利技术(图片来自网络)
SRB生产太阳能热板的设备(图片来自网络)
SRB生产的新型太阳能热板(图片来自网络)
本韦努蒂在测量太阳能热板的温度(图片来自网络)
本韦努蒂在查看SRB生产的新型太阳能热板(图片来自网络)
视频：应用源自CERN专利技术的太阳能热板(视频来自CERN官网)
在欧洲，取暖和制冷约占总能源消耗的一半，80%的工业加热过程所需的操作温度用传统的太阳能板无法达到。CERN的新型太阳能热板技术为减少化石燃料在加热和冷却装置中的使用，以及工业加热过程中的石油消耗提供了一个理想的替代方案。
太阳能的利用已成为瑞士从核能转向可再生能源的重要组成部分。日内瓦国际机场至今拥有覆盖10000平方米的太阳能热板，每年约产生10亿瓦特小时的能源。
2017年10月13日，日内瓦国际机场主任对媒体宣布：在一个新的项目中，机场建筑的屋顶将再安装50000平方米的太阳能热板，所产生的能源相当于2500户家庭一年的电力消耗。第一批新太阳能热板将于2020-2021年安置。根据瑞士的能源发展路线图规划，至2050年，瑞士将通过太阳能发电满足20%的电力需求。
■社会影响
CERN在题为“粒子物理是欧洲社会经济挑战的关键驱动因素(Particlephysics, a key driver for innovation Facing Europe’s socio-economic challenges)”的宣传册中指出：粒子物理的综合及复杂的工具是新概念、创新和突破性技术的丰富来源，它使各种应用研究学科受益，并最终被应用到许多对经济和社会产生重大影响的应用中。
CERN宣传册：《Particlephysics, a key driver for innovation Facing Europe’s socio-economic challenges》(图片来自网络)
随着粒子加速器、探测器、电子、信息和通信技术的进步，所带来的技术以及技术诀窍得到了广泛应用，解决了当今社会面临的许多挑战。宣传册中列出了多个例子，其中就包括本韦努蒂所发明的用于太阳能热板的真空技术。
CERN用于太阳能热板的真空技术被列为解决当今和未来社会挑战的工具之一(图片来自网络)
CERN作为基础研究机构，在创新战略和研究技术的发展等方面已充分显示出自己的独创性。其在真空、超导和低温技术领域拥有的极大优势，不仅有利于基础设施的技术开发，也有利于社会和人类的发展。CERN的技术转移部门负责人切斯达(Enrico Chesta)指出：新一代太阳能热板是一种创新的绿色技术，是CERN和工业伙伴关系的成果。就像医学和信息技术一样，能源正在成为加速器和探测器技术成功应用的领域。能源的运输、储存和优化、能源的回收等方面，有很多新的东西需要我们去创造。
被称为“粒子物理标准模型”之父的世界著名理论物理学家格拉肖(Sheldon Lee Glashow)在以“我们为什么要进行基础研究(WhyWe Must Pursue Basic Scientific Research)”为题的报告中说：CERN是创新技术的温床，包括加速器、低温、探测器、电子、信息技术、磁铁、材料科学、超导体等领域。CERN通过特许经营或合资，使这些技术资源应用于科学和商业的目的。
太阳能热板是格拉肖列出的CERN科学技术成功转移的例子之一。他还特地引用了美国商业杂志《福布斯(Forbes)》上的一段话：“感谢CERN粒子加速领域的科学家们，日内瓦国际机场成为瑞士最大的太阳能系统的骄傲拥有者”。
格拉肖的“Why We Must Pursue Basic ScientificResearch)”(图片来自网络)
CERN的新闻与媒体发言人玛索里耶(ArnaudMarsollier)在“加速科学和创新——欧洲粒子物理研究的社会效益(Accelerating science and innovation - Societal benefits ofEuropean research in particle physics)”一文中指出：
粒子加速器和探测器最初是为基础研究而开发的，而现在，相关的技术已应用于多个领域，甚至是原先完全意想不到的领域，例如，CERN为物理学而开发的高新技术在提高太阳能热板的能源效率方面发挥了重要作用。
《Accelerating science and innovation -Societal benefits of European research in particle physics》(图片来自网络)
■ 结语
CERN是世界上最大的科学研究中心之一，它关注的重点是基础物理，研究宇宙是由什么构成的以及它是如何演化的。在CERN，世界上最大和最复杂的科学设施被用来研究物质的基本成分——基本粒子。物理学家们通过研究这些粒子碰撞的过程来了解自然的规律。
CERN除了要努力获得它所承诺的物理研究成果之外，建造世界最大的粒子加速器本身就是一项巨大的成就，它扩展了技术的边界，产生了很多重大的突破和应用，影响了从医学到微电子、太阳能到计算机建模等多项领域的研究和商业实践。CERN已由纯粹的基础研究成为技术创新的温床，一些技术的潜在应用可能需要几年甚至更长的时间来认识与发展。
2008年，CERN对价值约10亿欧元的高科技合同的影响作了研究，这些合同被授予630家参与LHC建设的公司。与CERN签订合同的公司获得了大量的专业知识，为公司的进一步发展提供了机会。在178家公司中，有30%表示他们已开发出与粒子物理无关的新产品，17%的公司已建立了新的市场，14%的公司已建立了新的业务部门。这些数据充分说明了CERN基础研究本身的影响，以及CERN能够产生直接影响社会的创新。
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