Detectores de cintilador de plástico de impressão 3D para física de partículas

De acordo com a ETH Zuriquepesquisadores do Departamento de Física demonstraram que a impressão 3D oferece uma maneira prática de construir detectores de cintilador de plástico em larga escala (PS) para experimentos de física de partículas.

Em 2024, a colaboração em T2K começou a coletar novos dados de neutrinos usando detectores atualizados, incluindo o SuperFGD, um detector de 2 toneladas composto por dois milhões de cubos. Esses cubos emitem luz quando partículas carregadas passam por elas. Como os neutrinos não carregam carga, eles só podem ser estudados quando interagem com outras partículas como elétrons, prótons, guons ou pions. Cada cubo é incorporado com três fibras ópticasorientando a luz para 56.000 fotodetectores, que reconstruem as faixas de partículas 3D para estudos adicionais.

Detectores de construção O Dice By Dice é trabalhoso intensivo. Os professores Davide Sgalaberna e André Rubbia, ao lado de uma equipe internacional, exploraram se a impressão 3D poderia otimizar o processo. Suas descobertas, Publicado em Engenharia de Comunicações.

Os detectores de PS rastreiam partículas carregadas com alta precisão. O materials contém emissores fluorescentes (fluores) que absorvem a energia de partículas que passam e emitem luz quase ultravioleta. Um segundo fluor muda o comprimento de onda dessa luz, permitindo que as fibras ópticas o capturem e transportem com eficiência.

Para rastreamento preciso, os detectores cintilantes 3D devem consistir em unidades isoladas opticamente, semelhantes aos pixels em uma tela digital. Sgalaberna, que liderou o desenvolvimento do Superfgd, e sua equipe de colaboração 3DET enfrentaram os principais desafios: escolher materiais adequados e encontrar um processo de AM que mantém transparência e integridade estrutural.

Para reduzir custos e tempo de produção, Tim Weber, um engenheiro mecânico da ETH Zurique, e colegas desenvolveram modelagem de injeção fundida (FIM), um híbrido de modelagem de deposição fundida (FDM) e moldagem por injeção.

Seu processo constrói 5 × 5 camadas de moldes de cubo de plástico de plástico vazios e com revestimento branco usando FDM. As hastes de steel criam vias de fibra antes que o materials de cintilação seja injetado. Um soco aquecido se achata a parte superior, preparando a próxima camada. Usando esse método, eles fabricam um supercubo (125 voxels em uma grade 5 × 5 × 5). Cada voxel leva 6 minutos para imprimir, com a automação que deve reduzir ainda mais esse tempo.

“Esta é a primeira vez que um detector de cintilador impresso em 3D é capaz de detectar partículas carregadas … e reconstruir suas faixas e perda de energia”, disse Sgalaberna.

A escala de 2 milhões para 10 milhões de voxels aumentaria significativamente experimentos como o T2K, provando que A impressão 3D pode revolucionar a pesquisa de física de alta energia.