CERN 如何使用 3D 列印構建粒子探測器

歐洲核子研究組織，也稱為CERN，是一個高能物理研究中心，擁有世界上最大的粒子物理實驗室。CERN 擁有世界上最大、最強大的粒子加速器－大型強子對撞機(LHC)。

大型強子對撞機是有史以來建造的最宏偉、最昂貴的科學儀器之一，它將幫助人類回答物理學中一些基本的開放性問題，這些問題涉及控制基本物體之間相互作用和力的基本定律、空間和時間的深層結構、尤其是量子力學和廣義相對論之間的相互關係。

Massimo Angeletti 是一名機械工程師，是實驗物理探測器技術 (EP-DT) 部門的成員，參與粒子探測器的構造、組裝和安裝。本篇文章將帶您了解 CERN 部門如何使用 3D列印進行快速原型製作和研發。

▲用黑色樹脂製作的 3D列印支撐結構範例。其目的是在粒子束測試期間將三個彎曲的薄芯片傳感器（ALPIDE MAPS 傳感器，40 µm 厚）固定到位。

粒子探測器的快速原型製作

Massimo 工作的部門已經將3D列印用於不同的應用超過六年，使用兩台Form 2和一台Form 3L雷射光固化 (SLA) 3D列印機，這些列印機現今皆是研發將安裝在大型強子對撞機中的新一代探測器的關鍵工具。

透過使用內部3D列印機快速製作原型，他們已經能夠縮短開發時間、降低成本並找到傳統加工無法實現的新佈局解決方案。在內部生產之前，他們不得不依賴供應商並等待數週時間才能將簡單的3D列印物件送達CERN。Formlabs列印機和材料在CERN團隊中主要用於原型製作，但也用於探測器組裝和測試期間使用的模具和工具。

Massimo的團隊還測試了FDM 技術列印機，但發現物件的表面質量、耐髒性和耐用性明顯低於使用 SLA 列印的物件。由於所需零件的高精度需求，這些特性對 CERN 團隊至關重要，因此他們決定將 SLA 用於他們的原型。   

得益於 Formlabs 提供的培訓，研究人員能夠安全、獨立地操作打印機。在大多數情況下，他們是使用CAD建模程序創建設計並將其直接傳送到列印機，這有助於加快工作流程。

▲幾個黑色樹脂3D列印物件用於組裝真實比例的探測器原型（60 x 60 x 300 mm3）。上圖中的原型是基於大型薄型 MAPS 傳感器（90 x 280 mm2，30-40 µm 厚）的新型粒子跟踪探測器的模型，該探測器正在為 LHC 的大型實驗之一 ALICE 開發。

積層製造提供的獨特設計自由度使生產複雜的三維形狀成為可能。這與開發定制的、多功能的和複雜的粒子檢測器結構的新趨勢完全一致。

迄今為止，3D列印聚合物材料越來越多地用於大型強子對撞機實驗。然而，來自實驗區域輻射劑量暴露的嚴格要求會改變機械性能，因此需要對印刷材料進行特定的鑑定。 

「出於這個原因，我們希望進一步將Formlabs材料適用於高輻射環境，以擴展它們在實驗區域探測器功能部件中的用途，」Angeletti 解釋說。

目前在粒子探測器原型製作過程中最常用的樹脂是黑色樹脂和透明樹脂，但 CERN 的團隊也在測試高強度4000樹脂和高強度10K樹脂，以便將來可能製造終端用途物件。

「3D列印機讓一切變得更簡單、更快捷。您擁有從頭到尾的整個過程。您自己創建檔案並將它們傳送到列印機，這當然令人滿意。3列印還能夠進行大量迭代。在幾個幾天後，您將可拿到原先若發送給第三方實體，可能要花數週交期的物件。這令人難以置信。」Massimo Angeletti，CERN 機械工程師

3D列印研究的未來

「如果能夠深入實施用3D列印物件並最大限度地減少標準製造，那會很棒。」Angeletti 說道。事實上，他認為未來的探測器幾乎完全是3D列印的，而不是傳感器及其組件等電子產品。一旦進行了高輻射實驗測試，Angeletti 還希望在未來可能的實驗中使用新的輻射級光敏聚合物。

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