研究人員利用FIM 3D打印技術(shù)提升PS探測器生產(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)建用于粒子物理實驗的大型塑料閃爍體（PS）探測器提供了一種實用的方法,。這一技術(shù)的突破為粒子物理實驗中的探測器制造帶來了新的可能性，尤其是在中微子探測領(lǐng)域,。

△由FIM制造的PS探測器

早在2024年,，T2K (Tokai to Kamioka)合作組織開始使用研究人員升級后的PS探測器收集新的中微子數(shù)據(jù)，其中包括SuperFGD,，這是一個由200萬個PS立方體組成的2噸重的探測器,。當(dāng)帶電粒子穿過這些立方體時，它們會發(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,，才能進(jìn)行研究。每個立方體都嵌入了三根光纖,，這些光纖將光信號引導(dǎo)至 5.6萬個光電探測器,，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器的增材制造”（傳送門）

高能物理探測器的生產(chǎn)效率與成本優(yōu)化

構(gòu)建探測器模塊通常需要大量勞動力,。Davide Sgalaberna教授和André Rubbia教授領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊探討了3D打印技術(shù)是否可以簡化這一過程。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增材制造技術(shù)制造的PS探測器,。

△探測器閃爍過程

PS探測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,。第二種熒光體會改變這種光的波長，使得光纖能夠有效地捕獲和傳輸光信號,。

為了實現(xiàn)精確跟蹤,，3D閃爍探測器必須由光學(xué)隔離單元組成,，類似于數(shù)字屏幕中的像素。研究團(tuán)隊在開發(fā)中微子探測器SuperFGD時面臨的挑戰(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程

3D打印在中微子探測器升級中的應(yīng)用

為了降低成本和生產(chǎn)時間，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的機械工程師Tim Weber以及同事開發(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,，他們還制作了一個超級立方體（一個5×5×5網(wǎng)格中的125個體素）。每個體素的打印時間大約為6分鐘,，預(yù)計自動化將進(jìn)一步縮短這一時間,。Sgalaberna表示：“這是我們首次能夠使用3D打印的閃爍體探測器探測帶電粒子，并重建它們的軌跡和能量損失,。”

這項研究表明,，研究人員通過采用熔融注射成型（FIM）3D打印技術(shù)制造大型塑料閃爍體（PS）探測,，可以提高生產(chǎn)效率和降低成本。同時,，將探測器的規(guī)模從200萬個單元擴(kuò)展到1000萬個單元,，可以顯著增強T2K等實驗的能力。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,。