研究人员利用FIM 3D打印技术提升PS探测器生产效率并降低成本

2025年3月13日，南极熊获悉，苏黎世联邦理工学院的研究人员宣称，3D打印技术为构建用于粒子物理实验的大型塑料闪烁体（PS）探测器提供了一种实用的方法。这一技术的突破为粒子物理实验中的探测器制造带来了新的可能性，尤其是在中微子探测领域。

△由FIM制造的PS探测器

早在2024年，T2K (Tokai to Kamioka)合作组织开始使用研究人员升级后的PS探测器收集新的中微子数据，其中包括SuperFGD，这是一个由200万个PS立方体组成的2吨重的探测器。当带电粒子穿过这些立方体时，它们会发光。由于中微子本身不带电荷，因此只有在它们与电子、质子、μ介子或π介子等其它带电粒子相互作用时，才能进行研究。每个立方体都嵌入了三根光纤，这些光纤将光信号引导至 5.6万个光电探测器，后者将用于重建3D粒子轨迹，以便进行进一步的研究。

△相关研究题目为“用于跟踪和量热基本粒子的3D分段塑料闪烁体探测器的增材制造”（传送门）

高能物理探测器的生产效率与成本优化

构建探测器模块通常需要大量劳动力。Davide Sgalaberna教授和André Rubbia教授领导的国际团队探讨了3D打印技术是否可以简化这一过程。他们的研究成果发表在《通信工程》杂志上，介绍了一种完全通过增材制造技术制造的PS探测器。

△探测器闪烁过程

PS探测器能够以高精度跟踪带电粒子。该材料包含荧光发射体（荧光体），能够吸收粒子能量并发射近紫外光。第二种荧光体会改变这种光的波长，使得光纤能够有效地捕获和传输光信号。

为了实现精确跟踪，3D闪烁探测器必须由光学隔离单元组成，类似于数字屏幕中的像素。研究团队在开发中微子探测器SuperFGD时面临的挑战之一是选择合适的材料，并找到一种能够保持透明度和结构完整性的增材制造工艺。

△光学隔离塑料闪烁体体素的制造过程

3D打印在中微子探测器升级中的应用

为了降低成本和生产时间，苏黎世联邦理工学院的机械工程师Tim Weber以及同事开发了熔融注射成型（FIM），这是一种结合了熔融沉积成型（FDM）和注塑成型的技术。

研究人员首先使用FDM构建5×5层的空白色塑料闪烁体立方体模具。在注入闪烁材料之前，金属棒会形成光纤通道。加热的冲头将顶部压平，为下一层的构建做准备。利用这种方法，他们还制作了一个超级立方体（一个5×5×5网格中的125个体素）。每个体素的打印时间大约为6分钟，预计自动化将进一步缩短这一时间。Sgalaberna表示：“这是我们首次能够使用3D打印的闪烁体探测器探测带电粒子，并重建它们的轨迹和能量损失。”

这项研究表明，研究人员通过采用熔融注射成型（FIM）3D打印技术制造大型塑料闪烁体（PS）探测，可以提高生产效率和降低成本。同时，将探测器的规模从200万个单元扩展到1000万个单元，可以显著增强T2K等实验的能力。这进一步证明了3D打印技术有潜力彻底改变高能物理研究。