这篇论文的研究内容由卡尔斯鲁厄理工学院的Jannis Weinacker教授及其团队完成，研究成果发表在Advanced Functional Materials期刊上。研究的核心是开发一种新型的塑料闪烁体，利用多光子3D激光微打印技术，旨在提升低能粒子物理实验中的探测效率，尤其是在卡尔斯鲁厄中微子实验（KATRIN）中。
自20世纪70年代以来，塑料闪烁体因其制造成本低廉而广泛应用于粒子物理学领域。尽管其光产额低于无机晶体闪烁体，但在许多应用中，塑料闪烁体的优势使其成为一种受欢迎的替代品。随着现代应用对探测器的要求不断提高，尤其是对闪烁体形状的精确控制和与光电探测器的直接连接，3D打印技术的应用显得尤为重要。传统的一光子3D打印技术在空间分辨率上存在不足，无法满足某些高精度应用的需求。因此，研究团队转向了多光子激光微打印技术，这种技术能够提供更高的分辨率和更好的光学表面质量，适用于制造微结构闪烁体。
研究团队首先开发了一种新型的塑料闪烁体树脂，主要成分包括芳香族化合物，以提高闪烁效率。所用的树脂基于双酚A乙氧基二丙烯酸酯和1-萘基甲基丙烯酸酯，添加了两种波长转换剂（PPO和ADS086BE），以增强光的发射和传输效率。研究中还解决了芳香族核心增大导致的溶解度低的问题，确保了树脂的均匀性和打印质量。为了实现高分辨率的3D打印，研究团队使用了Nanoscribe QuantumX打印机，这是一种配备脉冲激光的设备，能够在微米级别上实现高分辨率的打印。通过优化打印参数，如激光功率、扫描速度和层厚度，研究团队成功打印出具有光学级表面的闪烁体结构。
在性能评估方面，研究团队使用扫描电子显微镜（SEM）结合光电探测器进行测试。通过与商业化塑料闪烁体（EPS100）的比较，研究发现新型闪烁体的光输出约为930光子MeV⁻¹，虽然低于EPS100的效率，但为未来的改进奠定了基础。研究团队还展示了将闪烁体直接打印在单光子雪崩二极管阵列上的可能性，这为未来的探测器系统提供了新的思路。通过微结构化的塑料闪烁体，研究团队希望能够开发出更高效的探测器，提升实验的灵敏度和准确性。
在研究过程中，团队面临了多个挑战。首先，材料的选择与优化是一个重要的研究难点，如何选择合适的树脂成分以提高闪烁效率，同时确保材料的可打印性和机械稳定性。其次，打印技术的限制也是一个挑战，尽管多光子打印技术提供了更高的分辨率，但在实际操作中，如何控制打印过程中的微爆炸和材料的均匀性仍然是技术上的难题。此外，性能评估的复杂性也给研究带来了困难，由于样品体积小，传统的光电倍增管测试方法不适用，团队需要开发新的测试方法来准确评估闪烁体的性能。
尽管当前新型闪烁体的光输出效率低于商业化产品，但研究团队对未来的改进充满信心。通过进一步优化树脂配方，增加芳香族系统的密度，预计可以显著提高闪烁效率。此外，3D打印技术的进步将使得更复杂的闪烁体结构得以实现，从而满足更高精度探测的需求。在卡尔斯鲁厄中微子实验（KATRIN）中，研究团队展示了将闪烁体直接打印在单光子雪崩二极管阵列上的可能性，这为未来的探测器系统提供了新的思路。通过微结构化的塑料闪烁体，研究团队希望能够开发出更高效的探测器，提升实验的灵敏度和准确性。
这项研究展示了多光子3D激光微打印技术在塑料闪烁体制造中的应用潜力，为低能粒子物理实验提供了新的解决方案。随着技术的不断进步和材料的进一步优化，未来的研究将可能在粒子物理学、医学成像等领域开辟新的应用前景。研究团队相信，随着对材料和打印技术的深入探索，未来将能够实现更高效的塑料闪烁体，推动低能粒子物理实验的发展。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202413215
