Entwicklung eines neuartigen diffus reflektierenden Filaments für die additive Fertigung von 3D-gedruckten Plastikszintillatoren

2.1. Filamentzusammensetzung und Herstellung

Die zentrale Innovation liegt in der Materialzusammensetzung des Filaments. Die Basispolymere sind PC und PMMA, gewählt aufgrund ihrer für FDM geeigneten thermischen und mechanischen Eigenschaften. Um eine hohe, diffuse Reflexion zu erreichen, werden diese Polymere mit Streupartikeln versetzt:

• Titandioxid (TiO₂): Ein hochreflektierendes weißes Pigment, das primäre Streuzentren bereitstellt.
• Polytetrafluorethylen (PTFE): Zugesetzt, um die Reflexion weiter zu verbessern und möglicherweise die Haftung zwischen den Schichten und die Oberflächeneigenschaften zu optimieren.

2.2. Aufbau zur optischen Charakterisierung

Die optische Leistung gedruckter Reflektorproben wurde quantitativ bewertet. Ein spezieller Aufbau wurde verwendet, um zu messen:

• Gesamtreflexionsgrad: Der Anteil des einfallenden Lichts, der von der Probe über einen relevanten Wellenlängenbereich reflektiert wird (wahrscheinlich abgestimmt auf das Emissionsspektrum des Szintillators).
• Transmission: Der Anteil des Lichts, der die Probe durchdringt, der für einen effektiven Reflektor minimal sein sollte.

2.3. Prototypenfertigung und Test mit kosmischer Strahlung

Ein funktionaler 3D-segmentierter Plastikszintillator-Prototyp wurde zur Validierung des Konzepts hergestellt. Die Fertigung umfasste wahrscheinlich einen Dual-Extrusion- oder Mehrschrittprozess:

1. Druck der strukturellen reflektierenden Matrix/des Gitters mit dem neuartigen weißen Filament.
2. Füllen der Hohlräume in dieser Matrix mit flüssigem Szintillatormaterial, möglicherweise unter Verwendung einer Technik ähnlich dem Fused Injection Modeling (FIM), wie im Abstract erwähnt.

• Lichtausbeute: Die Menge an Szintillationslicht, die pro Würfel gesammelt wird, als Indikator für die Detektoreffizienz.
• Optisches Übersprechen: Der Prozentsatz des Lichtsignals, der in einem benachbarten, nicht getroffenen Würfel detektiert wird, was die räumliche Auflösung verschlechtert.

3.1. Messungen von Reflexionsgrad und Transmission

Die optische Charakterisierung bestätigte die Wirksamkeit des PC/PMMA+TiO₂+PTFE-Verbundmaterials. Die gedruckten reflektierenden Schichten zeigten einen hohen Gesamtreflexionsgrad und eine sehr geringe Transmission, was ihre Eignung als optische Isolatoren bestätigte. Die optimale Zusammensetzung und eine Schichtdicke von 1 mm wurden identifiziert, was einen Kompromiss zwischen optischer Leistung und mechanischer Integrität/Druckbarkeit darstellt.

3.2. Leistung von Lichtausbeute und optischem Übersprechen

Die Tests mit kosmischer Strahlung am 3D-gedruckten Prototypen lieferten vielversprechende Ergebnisse:

• Gleichmäßige Lichtausbeute: Die Lichtausgabe war über verschiedene Würfel in der segmentierten Matrix hinweg konsistent, was die Gleichmäßigkeit des Druck- und Füllprozesses demonstriert.
• Geringes optisches Übersprechen: Das optische Übersprechen wurde für die Matrix mit einer 1 mm dicken gedruckten Reflektorwand auf weniger als 2 % gemessen. Dies ist eine entscheidende Verbesserung gegenüber früheren Versuchen und wird für Anwendungen, die kombinierte Teilchenspurverfolgung und Kalorimetrie erfordern, als akzeptabel erachtet.
• Leistungsäquivalenz: Die Gesamtleistung des 3D-gedruckten Detektors erwies sich als analog zu der von standardmäßigen, monolithischen Plastikszintillatordetektoren, bietet jedoch die inhärenten Vorteile der Segmentierung und Designfreiheit durch additive Fertigung.

4.1. Technische Details und mathematische Formulierung

Die Wirksamkeit eines diffusen Reflektors kann durch Betrachtung des Lichttransports modelliert werden. Ein Schlüsselparameter ist der diffuse Reflexionsgrad $R_d$, der für ein dickes, streuendes Medium durch die Kubelka-Munk-Theorie angenähert werden kann. Für eine Schicht der Dicke $d$ ist der Reflexionsgrad gegeben durch: $$R \approx \frac{1 - R_g (a - b \coth(b S d))}{a - R_g + b \coth(b S d)}$$ wobei $a = 1 + K/S$, $b = \sqrt{a^2 - 1}$, $K$ der Absorptionskoeffizient, $S$ der Streukoeffizient und $R_g$ der Reflexionsgrad des Trägermaterials ist. Für einen idealen, dicken Reflektor hinter einem Szintillatorwürfel wollen wir $R \to 1$ und $K \to 0$. Die hohe Beladung mit TiO₂ ($S \gg K$) in der PC/PMMA-Matrix maximiert direkt $S$, treibt $R$ nahe an 1 und minimiert das transmittierte Licht, das Übersprechen verursacht.

Die Lichtausbeute $LY$ für ein einzelnes Szintillatorsegment kann ausgedrückt werden als: $$LY \propto \eta_{scint} \cdot \eta_{coll} \cdot \eta_{det}$$ wobei $\eta_{scint}$ die Szintillationseffizienz, $\eta_{coll}$ die Lichteinsammlungseffizienz und $\eta_{det}$ die Quanteneffizienz des Photodetektors ist. Der gedruckte Reflektor optimiert direkt $\eta_{coll}$, indem er Szintillationsphotonen durch Totalreflexion und diffuse Reflexion an den gedruckten Wänden in ihrer Ursprungszelle einschließt.

4.2. Analyse-Rahmenwerk: Materialauswahlmatrix

Die Auswahl von Materialien für 3D-gedruckte Detektorkomponenten erfordert die Abwägung mehrerer, oft widersprüchlicher Eigenschaften. Das folgende Entscheidungsmatrix-Rahmenwerk kann verwendet werden, um Kandidatenmaterialien für das Reflektorfilament zu bewerten:

Analyse: Das gewählte PC/PMMA-Verbundmaterial schneidet in allen Bereichen gut ab. Es vermeidet den fatalen Fehler von Polystyrol (Materialvermischung mit PS-Szintillatoren, wie in früheren Arbeiten [19,20] festgestellt), bietet gleichzeitig eine überlegene Reflexion gegenüber reinem PMMA und gute mechanische Eigenschaften durch PC. Dieses Rahmenwerk rechtfertigt die Materialwahl als robusten technischen Kompromiss.