Szintillator aus dem 3D-Drucker

Plastik-Szintillator-Detektoren (PS) ermöglichen mit einer schnellen zeitlichen Reaktion die Verfolgung der Wege und die Messung des Energieverlusts geladener Teilchen. Sie enthalten fluoreszierende Emitter in einer festen Polymermatrix. Ein geladenes Teilchen, das sich durch das Material ausbreitet, regt die Polymermatrix an: Durch eine nicht-strahlende Dipol-Dipol-Wechselwirkung wird die Anregungsenergie auf die Fluore übertragen, die innerhalb weniger Nanosekunden durch die Emission von nahultraviolettem Licht reagieren. Häufig wird dem Polymer eine zweite Art von Fluor zugesetzt, um die Wellenlänge des emittierten Lichts zu verschieben und die Absorption im Szintillator-Material zu vermeiden. Optische Fasern fangen das von einem Detektor erzeugte Licht auf, indem sie dessen Wellenlänge in den grünen Bereich des sichtbaren Spektrums verschieben.

Für die Verfolgung von Elementarteilchen werden granulare 3D-Szintillationsdetektoren aus vielen kleineren Volumina zusammengesetzt, wie etwa die PS-Würfel in SuperFGD. In diesem Szenario ist es entscheidend, dass die kleineren Einheiten optisch isoliert sind, um verschiedene geladene Teilchen unabhängig voneinander zu verfolgen. So wie ein zweidimensionaler Laptop- oder Smartphone-Bildschirm aus einzelnen fluoreszierenden Pixeln besteht, kann ein granularer 3D-Teilchendetektor als eine Ansammlung von funkelnden Voxeln betrachtet werden. Alle Voxel müssen zusammenarbeiten, um hochwertige Daten zu liefern; jedes Voxel ist isoliert, aber Teil eines größeren Ganzen.

„Dies ist wirklich ein technisches Problem“, sagt der ETH-Ingenieur Tim Weber, der seine Erfahrungen mit der additiven Fertigung einbrachte. Er sieht die Sache eher pragmatisch: Wenn das Ziel darin besteht, immer größere Teilchendetektoren mit hervorragender Spurauflösung zu bauen, müssen die Produktionszeiten und -kosten reduziert werden. Dies erfordert Lösungen, die eine schnelle Produktion garantieren, ohne die Qualität und Leistung des Teilchendetektors zu beeinträchtigen. Allerdings ist die additive Fertigung in der Regel nicht geeignet, verschiedene Materialien zu verarbeiten und dabei die nötige Materialtransparenz zu erreichen, so dass das Szintillationslicht nicht vom PS absorbiert wird. Außerdem können nicht alle Verfahren der additiven Fertigung hohle Strukturen herstellen. Das letztgenannte Problem führt häufig zu subtraktiven Eingriffen – zum Beispiel dem Bohren von Löchern in die Voxel für wellenlängenverschiebende Fasern. Das erschwert die Automatisierung des Herstellungsverfahrens.