低成本粒子探测器的增材制造技术实现

颗粒物排放的检测与调控具有重要意义。该方案的重要性在于，它使任何人都能够构建、测试并使用一种简单的颗粒物传感器。该方法的优势不仅在于其简便性，还在于仅需最少的设备和最低的总体成本，即可灵活地根据不同的需求调整传感器的形状。

除了烟灰之外，该传感器还能检测多种带电粒子，适用于多种应用场景。例如，可用于发电厂的特定金属检测、工业场所及汽车中的野火监测。开始制造电极时，取两根铜管，直径分别为 18 毫米和 22 毫米。

从两根管道顶端向下量取九毫米，并标记该位置。使用管子切割器在标记处切割管道，注意不要施加过大力量。小心地对铜环进行去毛刺处理，避免对其施加过大压力，同时不得划伤电极表面。

这是影响传感器性能的关键步骤。接下来，在焊接电极之前，对铜环进行抛光，以去除表面的氧化铜层。将待焊接的铜环用台钳夹紧。

在将电缆焊接到铜环之前，先对铜环和电缆进行镀锡处理。将红色电缆焊接到18毫米内层铜环上，将黑色电缆焊接到22毫米外层铜环上。将内电极固定器粘贴到流道上，并静置一小时，使胶水完全固化。

然后将电缆穿过电缆通道，确保焊点处有足够的空间。将18毫米内电极环放置在支架上。接着，将电缆穿过电缆通道，并将22毫米外电极环放置在相应的支架上。

将外电极支架粘接到流道上。将垫片插入两个铜电极之间的间隙中，并等待一小时使胶水固化。使用环氧树脂胶密封所有电缆通道。

然后静置过夜，使胶水完全固化。次日，将真空密封圈插入外电极的打印阀门中。接着，将两个传感器部件相互插入，并用真空夹具固定。

按照图示搭建传感器装置。首先，将高压电源连接到高压电极的红色传感器电缆上，然后将黑色传感器电缆连接到台式万用表的电压输入端口。

接下来，在将静电计的接地端（GND）与电源的接地端（GND）连接后，将万用表的USB电缆连接至计算机。万用表与计算机连接完成后，按照所示布局将传感器集成到气溶胶测量装置中。实验开始前，确保稀释桥处于关闭状态。将稀释桥的出口连接至气溶胶混合器的入口，并将气溶胶混合器的出口二连接至传感器的入口。

将高效微粒空气（HEPA）过滤器连接至传感器出口，并将HEPA过滤器的出口连接至质量流量控制器（MFC）的入口。使用三通接头，将气溶胶混合器的出口一和稀释气流连接至三通接头的分流端。将三通接头的单通端连接至参考仪器的进样口。

实验开始时，将气溶胶发生器连接至稀释桥，并确保稀释桥处于关闭状态。在参考仪器上点击“测量”。缓慢打开稀释桥，直至参考仪器上记录的气溶胶质量浓度达到每立方米3至5毫克的目标值，然后开始记录数据。

观察参考仪器的颗粒物质量浓度。当气溶胶源稳定后，打开传感器电源至1,000伏，并开始记录数据。当枝晶的积聚与破碎达到平衡状态后，传感器信号与进入的碳烟浓度成正比。

纵轴显示传感器信号，单位为安培，横轴显示参考仪器测得的气溶胶浓度，单位为毫克每立方米。根据该图计算了具有代表性的线性拟合参数。此外，一项实验中由于电极内部形成炭黑桥接导致短路，结果显示信号呈阶梯状急剧上升，且未出现停止或趋于平缓的现象。

树突不再形成，传感器也不再处于平衡状态。必须非常小心地制备电极，并形成均匀的电极间隙。为确保可靠的测试环境，实验装置应按照演示的方式进行复现。

本方案旨在激励各机构、企业、研究团队及公民科学家复制这一简易传感器的构建过程，并自行组装颗粒物探测器。