一项国际合作显示增材制造提供了一种现实的方法来构建用于粒子物理实验的大规模塑料闪烁探测器。
在2024年，T2K合作组开始收集新的中微子数据，经过对实验的几次升级，包括新类型的探测器。其中一个叫做SuperFGD，具有约2吨的敏感体积，由大约两百万个立方体组成。每个立方体由塑料闪烁体（PS）材料制成，当带电粒子通过时会发出光。中微子不带电，如其名称所示，但它们有时会与其他粒子相互作用，然后产生可以被探测的电子、质子、μ子或π子。每个PS立方体由三根正交光纤穿过，收集闪烁光并引导到56,000个光电探测器。数据揭示了三维（3D）粒子轨迹，从而使研究人员能够了解更多关于中微子的信息。
这种探测器的升级对于推动大粒子物理实验的发现能力至关重要，但提出一个公平的问题：逐个立方体和逐层将200万个PS立方体组装成一个工作粒子探测器需要什么？高能物理中的大规模探测器是否可以以不同的方式构建？这些就是激励粒子物理与天体物理研究所的达维德·斯加拉贝尔纳教授和安德烈·鲁比亚教授的一项工作的原因。斯加拉贝尔纳和鲁比亚与苏黎世联邦理工大学、欧洲核子研究组织、瑞士高等专业学校、慧根科技和乌克兰闪烁材料研究所的同事们刚刚在《工程通讯》期刊上发表了一篇研究论文，介绍了一种完全采用增材制造的基本粒子塑料闪烁探测器。作者们都属于3D打印探测器（3DET）合作组，由斯加拉贝尔纳领导，乌穆特·科塞博士负责技术协调。团队认为他们的示范在以更省时和更省钱的方式构建未来的大规模粒子探测器方面是一个重要的步骤。
一个工程问题
PS探测器使得能够以快速的时间响应跟踪通过闪烁材料的带电粒子的路径并测量其能量损失。这些特性自1950年代提出以来，决定了它们的日益成功。在PS中，称为荧光体的荧光发射体被引入固体聚合物基质中。一个带电的粒子通过材料传播，使聚合物基质激发：非辐射偶极-偶极相互作用将激发能量转移给荧光体，荧光体在几纳秒内通过发出近紫外光而去激发。通常会在聚合物中添加第二种类型的荧光体，以便改变发光的波长，避免在闪烁材料中吸收。光纤收集PS产生的光，并将其波长转换为可见光谱的绿色部分，使得捕捉发出的光并增加其衰减长度成为可能。
为了优化基本粒子的跟踪，所谓的颗粒状3D闪烁探测器由许多较小的体积组装而成，例如SuperFGD中的PS立方体。在这种情况下，较小单元的光学隔离是至关重要的，以独立跟踪不同的带电粒子。3DET合作组熟悉这些组装的探测器：斯加拉贝尔纳构思了SuperFGD并作为T2K合作组的成员领导其开发和建造。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，颗粒状3D粒子探测器可以被视为闪烁体体素的集合。所有体素必须协同工作以提供高质量的数据：每个体素是独立的，但却是一个更大整体的一部分。
“这真的是一个工程问题，”第一作者蒂姆·韦伯在论文中提到的示范表示。韦伯在苏黎世联邦理工大学接受机械工程培训，三年前加入了物理系的异物质与中微子物理组以及3DET合作组，并带来了他在增材制造（通常称为3D打印）方面的多样化经验。他喜欢对这个问题采取务实的看法：如果目标是构建更大、跟踪分辨率出色的粒子探测器，就必须降低生产的时间和成本。这要求寻找可以保证生产速度的解决方案，同时不妥协粒子探测器的质量和性能。
理想的生产系统能够将成千上万的闪烁体体素构建成一个单块。3DET合作组和其他项目已经开始使用增材制造制作PS探测器原型；他们遇到的一些早期挑战——尤其是在探测器性能方面——突出了两个重要的决策点：材料的选择和用于制造探测器的增材制造工艺。例如，增材制造在处理多种材料时通常效率不高，同时还要实现材料透明度，以使闪烁光不被PS重新吸收。此外，并非所有增材制造工艺都能产生中空结构。后一个问题常常导致减法干预——例如，为波长转换光纤在体素中打孔——这使得制造过程难以自动化。
定制解决方案
韦伯、斯加拉贝尔纳及其同事们知道他们需要一个完全定制的增材制造设置。他们的新制造过程称为熔融注射建模（FIM），是熔融沉积建模（FDM）和注射成型这两种已知方法的混合。增材制造的制作过程分为三个步骤：首先，以FDM方式生产一个5 × 5层的光学反射框架，以创建PS的模具——即25个开顶的空立方体，涂上白色，包含光纤的孔，没有支撑结构。在这里，选择的框架聚合物丝通过一种称为挤出的方法被推动通过喷嘴。一旦这个5 × 5模具准备好，就将金属杆插入孔中为光纤创造空间。然后，FDM挤出系统被一个延长喷嘴取代，该喷嘴将闪烁材料注入模具中，从底部向顶部在每个空立方体中移动，使熔化材料尽可能均匀地扩散。在第三步中，使用加热冲头确保平整的顶面，为下一个5 × 5矩阵层做好准备。
按照这一程序，团队制造了他们称之为SuperCube的探测器，计数125个光学隔离的体素，按5 × 5 × 5配置排列，整体尺寸为59毫米（宽和长）× 57.2毫米（高），每个体素由两根正交的波长转换光纤读取。估计制造一个体素的时间约为6分钟：随着新的3D打印系统进一步自动化，这个时间预计会下降。
研究人员用宇宙粒子数据对其原型性能进行了表征，专注于单个立方体闪烁光产生的量和体素之间的串扰。他们将SuperCube与采用常规制造技术制成的铸造聚合物的类比探测系统进行了比较，发现性能没有显著偏差。串扰，取决于每个体素的光学隔离，似乎在FIM下略高，但在几个百分点的水平，这对于3D中的粒子跟踪是可以接受的。“这是3D打印闪烁探测器首次能够检测带电粒子，例如来自宇宙射线和CERN测试束的粒子，并重建它们的轨迹和能量损失，”斯加拉贝尔纳说。
团队一直在测试新原型，目标是优化探测器体素的光学隔离。同时，韦伯正在重新设计整个生产系统：目标是一个自动打印机，将制造过程扩展到更大的探测器体积。正如斯加拉贝尔纳所指出的，从一个具有200万个体素的颗粒状探测器转变为一个具有1000万个体素的探测器，将对T2K等实验构成巨大的升级：探测器体积越大，可以捕捉到的相互作用事件就越多。因此，3D打印解决方案或许可以——字面意义上——使粒子物理研究人员大胆构思。
