支持增材制造的低成本粒子探测器

1.3D印刷 切片器设置使用切片器软件打开所有“.stl”文件，并将传感器部件放在平台上（请参阅补充文件 1、补充文件 2、补充文件 3、补充 文件 4、补充文件 5 和补充文件 6）。 为了获得良好的打印效果，请相对于平台倾斜所有部件。 生成密度为 0.8、点大小为 0.4 mm 的支撑点。 选择层厚为 50 μm 的透明 V4。 开始打印。在 3D 打印机上上传切片器输出文件。 查找屏幕上显示的打印时间和树脂体积。插入透明的 V4 树脂槽和树脂盒，安装安装平台，然后打开墨盒盖。按打印机上的 开始 。 即时后处理打印完成后，打开打印机并拆下安装平台。注：仅当确定型号将保持在打印机的紫外线防护屏幕下方时，才能延迟此步骤（请参阅讨论中的关键步骤/打印后处理）。 轻轻地从平台上剥离所有部件，并将它们放入异丙醇浴中。 不断移动零件20分钟。 每 5 分钟取出一次零件，彻底冲洗所有小间隙和孔。 紫外线硬化在开始硬化过程之前干燥零件。 用加压空气冲洗所有小间隙和孔。 将零件放入UV硬化装置中，并在40°C下硬化50分钟。注意：此设置与制造商建议的干燥时间和温度不同（请参阅讨论中的关键步骤/打印后处理）。 后处理检查所有空腔和孔是否打开。 如果路径堵塞，请用直磨机钻孔或刮擦。 检查所有打印部件是否正确安装，以及铜管是否可以插入。如果他们不能，那就把它们打磨下来。 2. 电极制造 从 18 mm 和 22 mm 铜管顶部测量 9 mm 并标记这些位置。 用切管机在标记处切割管道。注意：确保在此过程中不要使用太大的力。切割管道需要几个轮次（请参阅讨论部分中的关键步骤/电极制造）。 小心地去毛刺铜环。去毛刺时不要对铜环施加太大的压力，尽量不要划伤电极表面。注意：这是一个非常关键的部分，会影响传感器的性能（请参阅讨论部分中的关键步骤/电极制造和修改/电极）。 电极焊接将红色电缆焊接到内铜环 （18 mm），将黑色电缆焊接到外铜环 （22 mm）。 抛光铜环以去除表面上氧化的铜层。 将环夹在虎钳中。 对铜环和电缆进行预镀锡，然后将电缆焊接到环上。注意：由于焊接，铜电极加热到400°C。 仅用镊子触摸电极并戴上热防护手套。 3. 组装 在托盘中混合环氧胶的两种成分。注意：使用透明胶水来区分烟灰桥和硬化胶非常重要。注意：在通风橱下工作，穿防护服（尤其是手套），清洁工作表面。更多安全说明可在安全数据表中找到。健康危害：“皮肤腐蚀1C – H314眼坝。1 – H318 皮肤感应 1 – H317”。 将内部电极支架粘入流道并等待60分钟以使胶水变硬（图7A）。 将内部电极环 （18 mm） 放在支架上，然后引导电缆通过电缆通道（图 7B）。注：确保有足够的空间放置焊接点。 将垫片放在内部电极周围。注意：这是一个非常关键的步骤。如果电极之间的距离在整个传感器的各个位置都不正好是1 mm，则电场以及随后的传感器性能都会受到影响（请参阅讨论中的关键步骤/电极制造）。 将外电极环 （22 mm） 放在支架上，然后通过电缆通道馈送电缆（图 7C）。 将外部电极支架粘在流道上。将垫片插入两个铜电极之间的间隙中。等待60分钟以使胶水变硬（图7D）。 用环氧胶密封所有电缆通道。等待一夜，让胶水固化。 将真空密封插入外电极的印刷阀中。将两个传感器侧相互插入并用真空夹固定（图 7E，F）。 4. 测试 打开传感器的真空夹。 将传感器的两半拉开并取下密封件。 从那里，用一个万用表探头尖端触摸电极环，用另一个万用表尖端触摸通向电极的电缆末端。 预测试测试电极和电缆与万用表的电气连接。检查电阻是否<2 Ω（取决于氧化水平）。 将软管插入气溶胶入口和出口，并测试传感器是否与真空泵密闭。 平行实验根据 图 8 构建传感器设置。将高压电源连接到红色传感器电缆（高压电极）。 将黑色传感器电缆连接到台式万用表电压输入。 将静电计接地 （GND） 与电源 GND 连接。 将万用表 USB 电缆连接到 PC。 将传感器整合到气溶胶测量设置中。根据 图9。 气溶胶发生器气体供应：打开护套流、氮气和丙烷供应（所需压力：氮气，4 bar;其他气体，每种 1 bar）。 电源：插入内置 MFC 的 24 V 源电缆，并将 USB 连接到电脑。 软件：打开 MFC 软件并插入正确的 COM 端口号。搜索设备：如果显示五个设备（对于五个不同的 MFC），请单击“ 停止搜索”。根据气溶胶发生器的用户手册输入启动条件： 10 mL/min 丙烷、1.55 L/min 氧化空气、7 L/min 淬火气体、20 L/min 稀释空气。 通过打开-关闭旋钮启动气溶胶发生器（请参阅材料表）。当旋钮打开时，氮气指示器亮起，表示所有流路都打开。握住火焰安全装置，按下气溶胶发生器上的点火按钮;观察燃烧室窗口中的火焰。~60 秒后非常缓慢地释放火焰安全装置。 输入以下质量流量： 60 mL/min 丙烷、1.55 L/min 氧化空气、7 L/min 氮气（淬火） 和 20 L/min 稀释空气 ，以设置正确的粒径分布参数。注意：仅当在接下来的几分钟内进行测量时，才将发生器连接到设置的其余部分;否则，稀释桥的过滤器会迅速堵塞。 将稀释桥连接到气溶胶发生器。再次断开它并将气溶胶流转移到通风橱，直到实验开始。在开始实验之前，请确保稀释桥已关闭。 将稀释桥出口连接到气溶胶混合器入口。 将气溶胶混合器出口2（见 图9E）连接到传感器入口。 合并 MFC。将高效微粒吸收 （HEPA） 过滤器连接到传感器出口，并将传感器出口连接到 MFC 入口。 连接 MFC 的电源并将 USB 连接到电脑。 打开 MFC 软件并输入正确的 COM 端口号。搜索设备。 单击 停止搜索？。 输入 质量流量 为 1 L/min。 参考仪器（见 材料表）将LAN电缆连接到PC，并在浏览器中打开与参考仪器IP地址的连接，以打开Java应用程序来控制参考仪器。 在参考仪器控制软件中，按下 锁定资源|待机 以启动泵。注意：加热过程需要~20分钟。 预热阶段后，单击测量以 测量 进入参考仪器的气溶胶。 在参比仪器上选择1：10的稀释比例。 使用 y 接头将气溶胶混合器出口 1（见 图 9D）和稀释气流连接到 y 接头的分叉端（见 图 9C），并将 y 接头的单端连接到参考仪器入口。注意： 然后将这两个流合并在 y 拟合的单端。 实验开始再次将气溶胶发生器连接到稀释桥，并确保稀释桥已关闭。 单击参考仪器上的 测量 。 慢慢打开稀释桥，直到达到所需的气溶胶质量浓度 3-5 mg/m3 ，并开始在参考仪器上记录数据。 观察参比仪器颗粒质量浓度。当气溶胶源稳定时，打开 1，000 V 的传感器电源并开始记录数据。注：如果浓度不稳定，请参阅讨论部分中的故障排除。 使用控制台上的 读取 命令或自动脚本从台式万用表收集数据。注意：传感器电流稳定（约5分钟）后，可以将参考仪器与传感器电流进行比较。注意：如果传感器电流迅速增加到 10-7 A 以上（相当于 0.1 V，内阻为 1 MΩ），请关闭高压电源（请参阅讨论部分中的故障排除）。 平行测量：传感器达到平衡后，通过相应地调整稀释桥，以5 mg/m3至0.2 mg/m3的步长测量浓度梯度。注意：当使用较高浓度时，必须增加参比仪器的稀释比例。 在每次新测量之前，用加压空气和棉签清洁传感器。 5. 现场应用 根据 图 8 构建传感器设置。将高压电源连接到红色传感器电缆（高压电极）。 将黑色传感器电缆连接到台式万用表电压输入。 将静电计接地与电源接地连接。 将万用表 USB 电缆连接到 PC。 根据 图10，将传感器设置整合到新的测量设置中，并将气溶胶源与传感器连接。 将来自气溶胶源的流出颗粒流分成路径 A） 传感器设置和路径 B） 通风。MFC 或泵：使用 MFC 使样品通过传感器。 在 MFC 上游使用 HEPA 过滤器。连接 MFC 的电源并将 USB 连接到电脑。 按照步骤4.5.8进行并行测量。 现场实验开始：确保气溶胶源连接到传感器输入。 打开传感器电源并开始记录数据。 图 8：传感器设置。 传感器设置图。气溶胶流过传感器。传感器连接到电压表和高压电源。电压表由记录传感器数据的控制单元控制。 请点击此处查看此图的大图。 图 9：传感器评估的实验计划。 稳定的气溶胶源用于模拟粒子源。流出的粒子流被分成路径（A），传感器设置;路径（B）通风进入稀释桥，并进一步分配到气溶胶混合器。在混合器之后，气溶胶流在参考仪器路径（D）之间分配，该路径平行于传感器进行测量。该参比仪器需要稀释空气，该空气通过路径（C）分布。路径 （E）：MFC 通过传感器吸入空气。该MFC通过HEPA过滤器保护免受气溶胶流的影响。缩写：MFC = 质量流量控制器;HEPA过滤器=高效颗粒吸收过滤器。 请点击此处查看此图的大图。 图10：现场测试：实验方案。在此设置中，测量气溶胶源。流出的颗粒流被分成路径A）传感器设置和路径B）通风，然后进入传感器。在此设置中，上游带有HEPA过滤器的MFC通过传感器吸入气溶胶。缩写：MFC = 质量流量控制器;HEPA过滤器=高效颗粒吸收过滤器。请点击此处查看此图的大图。