摘要：通过使用增材制造，研究人员已经开发出一种新的方法来构建塑料闪烁体探测器，大大降低了成本和制造时间。他们的第一个原型，超级立方体，已经被证明能够跟踪宇宙粒子，这标志着3D打印粒子物理技术的一个里程碑。

一项制造探测器的新技术可能永远改变高能物理学。

通过使用增材制造，研究人员已经开发出一种新的方法来构建塑料闪烁体探测器，大大降低了成本和制造时间。他们的第一个原型，超级立方体，已经被证明能够跟踪宇宙粒子，这标志着3D打印粒子物理技术的一个里程碑。

下一代中微子探测

2024年，T2K合作组织在用先进探测器升级实验后开始收集新的中微子数据。其中之一，SuperFGD，是一个由近200万个小立方体组成的高灵敏度两吨探测器。每个立方体都是由塑料闪烁体（PS）制成的，当带电粒子穿过时，这种材料会发光。

虽然中微子本身不带电荷，但它们偶尔会与其他粒子相互作用，产生电子、质子、μ子或介子 —— 这些都是可以探测到的信号。每个PS立方体包含三根光纤，排列在不同的方向，捕获发射的光，并将其引导到56000个光电探测器。这种设置创建了粒子轨迹的三维（3D）地图，帮助研究人员更深入地了解中微子的行为。

大规模探测器的挑战

升级这样的探测器对于推进粒子物理学至关重要，但它也提出了一个重要的问题：有没有更好的方法来建造大型探测器？用200万个独立的立方体一层一层地构建一个设备，是一项艰巨的任务。高能物理实验能从更有效的方法中受益吗？

这些挑战推动了粒子物理和天体物理研究所的Davide Sgalabena和AndréRubbia教授的研究。与苏黎世联邦理工学院、欧洲核子研究中心、HES-SO、HEIG-VD、COMATEC AddiPole和乌克兰闪烁材料研究所的科学家一起，他们最近在《通信工程》上发表了一项研究。他们的研究介绍了一种用于基本粒子的全3D打印塑料闪烁体探测器。这项工作是由Sgalabena领导的3D打印DETector（3DET）合作的一部分，由Umut Kose博士进行技术协调。该团队认为，他们的突破是朝着更快、更具成本效益地生产大规模粒子探测器迈出的重要一步，为中微子科学的未来进步铺平了道路。

粒子跟踪中的一个工程问题

PS探测器使得跟踪路径和测量带电粒子通过闪烁体材料的能量损失成为可能，并且具有快速的时间响应。自20世纪50年代提出以来，这些特点决定了它们越来越成功。在PS中，称为荧光剂的荧光发射器被引入固体聚合物基质中。在材料中传播的带电粒子激发聚合物基质：非辐射的偶极子-偶极子相互作用将激发能转移到荧光中，荧光在几纳秒内通过发射近紫外线来消除激发。第二种类型的氟通常被添加到聚合物中，以改变发射光的波长，避免在闪烁体材料中被吸收。光纤通过将PS的波长转移到可见光谱的绿色部分来收集PS产生的光，从而有可能捕获发射的光并增加其衰减长度。

为了对基本粒子进行最佳跟踪，所谓的颗粒3D闪烁探测器是由许多较小的体积组装而成的，例如SuperFGD中的PS立方体。在这种情况下，至关重要的是，较小的单元被光学隔离，以独立跟踪不同的带电粒子。3DET合作组织熟悉这些组装好的探测器：Sgalabena构想了SuperFGD，并作为T2K合作组织的成员领导了其开发和建设。就像笔记本电脑或智能手机的2D屏幕由单个荧光像素组成一样，颗粒3D粒子探测器可以被视为闪烁体素的集合。所有体素必须协同工作以提供高质量的数据：每个体素都是孤立的，但都是更大整体的一部分。

增材制造创新

“这确实是一个工程问题，”第一作者Tim Weber在谈到论文中报道的演示时说。Weber在苏黎世联邦理工学院接受过机械工程师培训，三年前加入了物理系的奇异物质和中微子物理小组以及3DET合作组织，并带来了他在增材制造（AM）方面的丰富经验，通常称为3D打印。他喜欢对这个问题采取务实的观点：如果目标是建造具有出色跟踪分辨率的更大的粒子探测器，那么必须减少生产时间和成本。这就需要在不影响粒子探测器质量和性能的情况下保证生产速度的解决方案。

理想的生产系统可以将数千个闪烁体素构建成一个单片块。3DET协作和其他公司已经与AM合作开发PS探测器原型；他们遇到的一些早期挑战 —— 特别是在探测器性能方面 —— 突出了两个关键的决策点：材料的选择和用于生产探测器的增材制造工艺的类型。例如，AM通常不擅长处理多种材料，同时实现闪烁光不被PS重新吸收所需的材料透明度。此外，并非所有AM工艺都可以产生空心结构。后一个问题通常会导致减法干预 —— 例如，在体素上钻孔，用于波长移动的光纤 —— 这使得制造过程难以自动化。

定制解决方案：熔融注射建模（FIM）

Weber， Sgalaberna和同事们知道他们需要一个完全定制的AM设置。他们的新制造工艺称为熔融注射成型（FIM），是两种已知方法的混合，即熔融沉积成型（FDM）和注射成型。增材制造过程包括三个步骤：首先，用FDM生产一个5x5的光学反射框架，为PS创建模具，即25个空立方体，顶部打开并涂上白色涂层，包括光纤孔，没有支撑结构。在这里，为框架选择的聚合物串在一个被称为挤出的过程中通过一个喷嘴。一旦这个5 × 5的模具准备好了，金属棒就会插入孔中，为纤维创造空间。然后将FDM挤出系统替换为一个细长的喷嘴，该喷嘴将闪烁材料注入模具，在每个空立方体中从底部到顶部移动，并使熔化的材料尽可能均匀地扩散。在第三步中，使用加热冲床来确保平面顶部表面为下一个5 × 5矩阵层做好准备。

超级立方体：未来的原型

按照这个程序，研究小组制造了他们所谓的“超级立方体”，一个有125个光学隔离体素的探测器，排列成5 × 5 × 5的结构，总尺寸为59毫米（宽和长）× 57.2毫米（高），其中每个体素由两根正交的移波长光纤读出。一个体素的制造时间估计在6分钟左右：由于新设计的3D打印系统，一旦制造过程进一步自动化，预计这一时间将会下降。

研究人员用宇宙粒子数据描述了他们的原型的性能，重点是实现的单立方体闪烁光产量和体素之间的串扰。他们将SuperCube与传统制造技术铸造聚合生产的类似检测系统进行了比较，发现性能没有明显偏差。依赖于每个体素的光学隔离的串扰，在FIM中似乎略高，但在几个百分比的水平上，这对于3D中的粒子跟踪是可以接受的。“这是3D打印闪烁体探测器第一次能够探测到带电粒子，比如来自欧洲核子研究中心的宇宙射线和测试光束，并重建它们的轨迹和能量损失，”Sgalaberna说。

推动粒子物理学的发展

该团队一直在测试新的原型，目标是优化探测器体素的光学隔离。与此同时，Weber正致力于重新设计整个生产系统：目标是一个自动化打印机，将制造过程扩展到更大的探测器体积。正如Sgalaberna所指出的，从一个200万体素的颗粒探测器到一个1000万体素的颗粒探测器，对于T2K这样的实验来说，将是一个巨大的升级：探测器体积越大，可以捕获的相互作用事件就越多。因此，看起来3D打印解决方案可能 —— 毫不夸张地说 —— 使粒子物理学研究人员能够想得更远。

来源：知新了了