De acordo com a ETH Zurich, pesquisadores do Departamento de Física demonstraram que a impressão 3D oferece uma maneira prática de construir detectores cintiladores de plástico (PS) em larga escala para experimentos de física de partículas.
Em 2024, a T2K Collaboration começou a coletar novos dados de neutrinos usando detectores atualizados, incluindo o SuperFGD, um detector de 2 toneladas composto por dois milhões de cubos PS. Esses cubos emitem luz quando partículas carregadas passam por eles. Como os neutrinos não carregam carga, eles só podem ser estudados quando interagem com outras partículas, como elétrons, prótons, múons ou píons. Cada cubo é incorporado com três fibras ópticas, guiando a luz para 56.000 fotodetectores, que reconstroem trilhas de partículas 3D para estudo posterior.
Construir detectores cubo por cubo é um trabalho intensivo. Os professores Davide Sgalaberna e André Rubbia, juntamente com uma equipe internacional, exploraram se a impressão 3D poderia agilizar o processo. Suas descobertas, publicadas na Communications Engineering, introduzem um detector de PS totalmente fabricado de forma aditiva para partículas elementares.
Os detectores PS rastreiam partículas carregadas com alta precisão. O material contém emissores fluorescentes (flúores) que absorvem energia de partículas que passam e emitem luz quase ultravioleta. Um segundo flúor muda o comprimento de onda dessa luz, permitindo que as fibras ópticas a capturem e transportem com eficiência.
Para rastreamento preciso, detectores cintilantes 3D devem consistir em unidades opticamente isoladas, semelhantes a pixels em uma tela digital. Sgalaberna, que liderou o desenvolvimento do SuperFGD, e sua equipe 3DET Collaboration enfrentaram desafios importantes: escolher materiais adequados e encontrar um processo AM que mantenha a transparência e a integridade estrutural.
Para reduzir custos e tempo de produção, Tim Weber, engenheiro mecânico da ETH Zurich, e colegas desenvolveram o Fused Injection Modeling (FIM), um híbrido de Fused Deposition Modeling (FDM) e moldagem por injeção.
O processo deles constrói camadas 5×5 de moldes de cubo cintilador de plástico branco e vazio usando FDM. Hastes de metal criam caminhos de fibra antes que o material de cintilação seja injetado. Um punção aquecido achata o topo, preparando a próxima camada. Usando esse método, eles fabricaram um SuperCube (125 voxels em uma grade 5×5×5). Cada voxel leva 6 minutos para ser impresso, com a automação esperada para reduzir ainda mais esse tempo.
“Esta é a primeira vez que um detector cintilador impresso em 3D é capaz de detectar partículas carregadas… e reconstruir seus rastros e perda de energia”, disse Sgalaberna.
Aumentar de 2 milhões para 10 milhões de voxels melhoraria significativamente experimentos como o T2K, provando que a impressão 3D poderia revolucionar a pesquisa em física de alta energia. Para saber mais sobre o processo acesse o site.
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