研究人員利用FIM 3D打印技術(shù)提升PS探測(cè)器生產(chǎn)效率并降低成本

2025年3月13日，南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員宣稱，3D打印技術(shù)為構(gòu)建用于粒子物理實(shí)驗(yàn)的大型塑料閃爍體（PS）探測(cè)器提供了一種實(shí)用的方法。這一技術(shù)的突破為粒子物理實(shí)驗(yàn)中的探測(cè)器制造帶來(lái)了新的可能性，尤其是在中微子探測(cè)領(lǐng)域。

△由FIM制造的PS探測(cè)器

早在2024年，T2K (Tokai to Kamioka)合作組織開(kāi)始使用研究人員升級(jí)后的PS探測(cè)器收集新的中微子數(shù)據(jù)，其中包括SuperFGD，這是一個(gè)由200萬(wàn)個(gè)PS立方體組成的2噸重的探測(cè)器。當(dāng)帶電粒子穿過(guò)這些立方體時(shí)，它們會(huì)發(fā)光。由于中微子本身不帶電荷，因此只有在它們與電子、質(zhì)子、μ介子或π介子等其它帶電粒子相互作用時(shí)，才能進(jìn)行研究。每個(gè)立方體都嵌入了三根光纖，這些光纖將光信號(hào)引導(dǎo)至 5.6萬(wàn)個(gè)光電探測(cè)器，后者將用于重建3D粒子軌跡，以便進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

△相關(guān)研究題目為“用于跟蹤和量熱基本粒子的3D分段塑料閃爍體探測(cè)器的增材制造”（傳送門）

高能物理探測(cè)器的生產(chǎn)效率與成本優(yōu)化

構(gòu)建探測(cè)器模塊通常需要大量勞動(dòng)力。Davide Sgalaberna教授和André Rubbia教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)探討了3D打印技術(shù)是否可以簡(jiǎn)化這一過(guò)程。他們的研究成果發(fā)表在《通信工程》雜志上，介紹了一種完全通過(guò)增材制造技術(shù)制造的PS探測(cè)器。

△探測(cè)器閃爍過(guò)程

PS探測(cè)器能夠以高精度跟蹤帶電粒子。該材料包含熒光發(fā)射體（熒光體），能夠吸收粒子能量并發(fā)射近紫外光。第二種熒光體會(huì)改變這種光的波長(zhǎng)，使得光纖能夠有效地捕獲和傳輸光信號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，3D閃爍探測(cè)器必須由光學(xué)隔離單元組成，類似于數(shù)字屏幕中的像素。研究團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)中微子探測(cè)器SuperFGD時(shí)面臨的挑戰(zhàn)之一是選擇合適的材料，并找到一種能夠保持透明度和結(jié)構(gòu)完整性的增材制造工藝。

△光學(xué)隔離塑料閃爍體體素的制造過(guò)程

3D打印在中微子探測(cè)器升級(jí)中的應(yīng)用

為了降低成本和生產(chǎn)時(shí)間，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機(jī)械工程師Tim Weber以及同事開(kāi)發(fā)了熔融注射成型（FIM），這是一種結(jié)合了熔融沉積成型（FDM）和注塑成型的技術(shù)。

研究人員首先使用FDM構(gòu)建5×5層的空白色塑料閃爍體立方體模具。在注入閃爍材料之前，金屬棒會(huì)形成光纖通道。加熱的沖頭將頂部壓平，為下一層的構(gòu)建做準(zhǔn)備。利用這種方法，他們還制作了一個(gè)超級(jí)立方體（一個(gè)5×5×5網(wǎng)格中的125個(gè)體素）。每個(gè)體素的打印時(shí)間大約為6分鐘，預(yù)計(jì)自動(dòng)化將進(jìn)一步縮短這一時(shí)間。Sgalaberna表示：“這是我們首次能夠使用3D打印的閃爍體探測(cè)器探測(cè)帶電粒子，并重建它們的軌跡和能量損失。”

這項(xiàng)研究表明，研究人員通過(guò)采用熔融注射成型（FIM）3D打印技術(shù)制造大型塑料閃爍體（PS）探測(cè)，可以提高生產(chǎn)效率和降低成本。同時(shí)，將探測(cè)器的規(guī)模從200萬(wàn)個(gè)單元擴(kuò)展到1000萬(wàn)個(gè)單元，可以顯著增強(qiáng)T2K等實(shí)驗(yàn)的能力。這進(jìn)一步證明了3D打印技術(shù)有潛力徹底改變高能物理研究。