动漫 h 科学家用3D打印构建粒子探伤的改日

发布日期：2025-06-30 12:25    点击次数：194

一项制造探伤器的新时刻可能耐久改变高能物理学动漫 h。

通过使用增材制造，扣问东说念主员照旧开发出一种新的时势来构建塑料耀眼体探伤器，大大裁减了资本和制造时候。他们的第一个原型，超等立方体，照旧被解说大要追踪天地粒子，这瑰丽着3D打印粒子物理时刻的一个里程碑。

下一代中微子探伤

2024年，T2K合作组织在用先进探伤器升级本质后启动汇集新的中微子数据。其中之一，SuperFGD，是一个由近200万个小立方体构成的高智谋度两吨探伤器。每个立方体王人是由塑料耀眼体（PS）制成的，当带电粒子穿逾期，这种材料会发光。

固然中微子本人不带电荷，但它们偶尔会与其他粒子互相作用，产生电子、质子、μ子或介子 —— 这些王人是不错探伤到的信号。每个PS立方体包含三根光纤，胪列在不同的办法，拿获辐射的光，并将其指挥到56000个光电探伤器。这种成就创建了粒子轨迹的三维（3D）舆图，匡助扣问东说念主员更真切地了解中微子的行为。

大鸿沟探伤器的挑战

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升级这么的探伤器关于鼓舞粒子物理学至关伏击，但它也提议了一个伏击的问题：有莫得更好的时势来建造大型探伤器？用200万个寂然的立方体一层一层地构建一个开发，是一项吃力的任务。高能物理本质能从更有用的时势中受益吗？

这些挑战推动了粒子物理和天体物理扣问所的Davide Sgalabena和AndréRubbia西席的扣问。与苏黎世联邦理工学院、欧洲核子扣问中心、HES-SO、HEIG-VD、COMATEC AddiPole和乌克兰耀眼材料扣问所的科学家沿路，他们最近在《通讯工程》上发表了一项扣问。他们的扣问先容了一种用于基本粒子的全3D打印塑料耀眼体探伤器。这项责任是由Sgalabena带领的3D打印DETector（3DET）合作的一部分，由Umut Kose博士进行时刻谐和。该团队以为，他们的打破是朝着更快、更具资本效益地坐褥大鸿沟粒子探伤器迈出的伏击一步，为中微子科学的改日格外铺平了说念路。

粒子追踪中的一个工程问题

PS探伤器使得追踪旅途和测量带电粒子通过耀眼体材料的能量亏蚀成为可能，况兼具有快速的时候反馈。自20世纪50年代提议以来，这些特色决定了它们越来越得手。在PS中，称为荧光剂的荧光辐射器被引入固体团员物基质中。在材料中传播的带电粒子引发团员物基质：非辐射的偶极子-偶极子互相作用将引发能回荡到荧光中，荧光在几纳秒内通过辐射近紫外线来摒弃引发。第二种类型的氟时时被添加到团员物中，以改变辐射光的波长，幸免在耀眼体材料中被接管。光纤通过将PS的波长回荡到可见光谱的绿色部分来汇集PS产生的光，从而有可能拿获辐射的光并加多其衰减长度。

为了对基本粒子进行最好追踪，所谓的颗粒3D耀眼探伤器是由很多较小的体积拼装而成的，举例SuperFGD中的PS立方体。在这种情况下，至关伏击的是，较小的单位被光学守秘，以寂然追踪不同的带电粒子。3DET合作组织熟识这些拼装好的探伤器：Sgalabena构念念了SuperFGD，并当作T2K合作组织的成员带领了其开发和成就。就像札记本电脑或智高东说念主机的2D屏幕由单个荧光像素构成雷同，颗粒3D粒子探伤器不错被视为耀眼体素的会聚。扫数体素必须协同责任以提供高质地的数据：每个体素王人是孤苦的，但王人是更大举座的一部分。

增材制造更正

“这照实是一个工程问题，”第一作家Tim Weber在谈到论文中报说念的演示时说。Weber在苏黎世联邦理工学院领受过机械工程师培训，三年前加入了物理系的奇异物资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）方面的丰富教养，时时称为3D打印。他可爱对这个问题给与求实的不雅点：若是缱绻是建造具有出色追踪差异率的更大的粒子探伤器，那么必须减少坐褥时候和资本。这就需要在不影响粒子探伤器质地和性能的情况下保证坐褥速率的惩处决策。

理念念的坐褥系统不错将数千个耀眼体素构建成一个单片块。3DET配合和其他公司照旧与AM合作开发PS探伤器原型；他们遭受的一些早期挑战 —— 格外是在探伤器性能方面 —— 隆起了两个关节的决策点：材料的聘用和用于坐褥探伤器的增材制造工艺的类型。举例，AM时时不擅所长理多种材料，同期已矣耀眼光不被PS再行接管所需的材料透明度。此外，并非扫数AM工艺王人不错产生空腹结构。后一个问题时时会导致减法骚动 —— 举例，在体素上钻孔，用于波长迁徙的光纤 —— 这使得制造经过难以自动化。

定制惩处决策：熔融打针建模（FIM）

Weber， Sgalaberna和共事们知说念他们需要一个十足定制的AM成就。他们的新制造工艺称为熔融打针成型（FIM），是两种已知时势的混杂，即熔融千里积成型（FDM）和打针成型。增材制造经过包括三个措施：领先，用FDM坐褥一个5x5的光学反射框架，为PS创建模具，即25个空立方体，顶部绽放并涂上白色涂层，包括光纤孔，莫得扶持结构。在这里，为框架聘用的团员物串在一个被称为挤出的经过中通过一个喷嘴。一朝这个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，该喷嘴将耀眼材料注入模具，在每个空立方体中从底部到顶部迁徙，并使融解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名义为下一个5 × 5矩阵层作念好准备。

超等立方体：改日的原型

按照这个措施，扣问小组制造了他们所谓的“超等立方体”，一个有125个光学守秘体素的探伤器，胪列成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。一个体素的制造时候臆想在6分钟左右：由于新想象的3D打印系统，一朝制造经过进一步自动化，预测这一时候将会下落。

扣问东说念主员用天地粒子数据形色了他们的原型的性能，要点是已矣的单立方体耀眼光产量和体素之间的串扰。他们将SuperCube与传统制造时刻锻造团员坐褥的访佛检测系统进行了比拟，发现性能莫得走漏偏差。依赖于每个体素的光学守秘的串扰，在FIM中似乎略高，但在几个百分比的水平上，这关于3D中的粒子追踪是不错领受的。“这是3D打印耀眼体探伤器第一次大要探伤到带电粒子，比如来自欧洲核子扣问中心的天地射线和测试光束，并重建它们的轨迹和能量亏蚀，”Sgalaberna说。

推动粒子物理学的发展

该团队一直在测试新的原型，缱绻是优化探伤器体素的光学守秘。与此同期，Weber正用功于于再行想象通盘坐褥系统：缱绻是一个自动化打印机，将制造经过扩张到更大的探伤器体积。正如Sgalaberna所指出的，从一个200万体素的颗粒探伤器到一个1000万体素的颗粒探伤器，关于T2K这么的本质来说，将是一个强劲的升级：探伤器体积越大，不错拿获的互相作用事件就越多。因此，看起来3D打印惩处决策可能 —— 绝不夸张地说 —— 使粒子物理学扣问东说念主员大要念念得更远。

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