Desarrollo de un Filamento Reflector Difuso Innovador para la Fabricación Aditiva de Centelleadores Plásticos Impresos en 3D

2.1. Composición y Fabricación del Filamento

La innovación central reside en la composición material del filamento. Los polímeros base son PC y PMMA, elegidos por sus propiedades térmicas y mecánicas adecuadas para FDM. Para lograr una alta reflectividad difusa, estos polímeros se cargan con agentes dispersantes:

• Dióxido de Titanio (TiO₂): Un pigmento blanco altamente reflectante que proporciona los centros de dispersión primarios.
• Politetrafluoroetileno (PTFE): Añadido para mejorar aún más la reflectividad y potencialmente mejorar la adhesión entre capas y las propiedades superficiales.

2.2. Configuración de Caracterización Óptica

El rendimiento óptico de las muestras de reflector impresas se evaluó cuantitativamente. Se utilizó una configuración dedicada para medir:

• Reflectancia Total: La fracción de luz incidente reflejada por la muestra en un rango de longitudes de onda relevante (probablemente coincidente con el espectro de emisión del centelleador).
• Transmitancia: La fracción de luz que atraviesa la muestra, que debe ser mínima para un reflector eficaz.

2.3. Fabricación del Prototipo y Pruebas con Rayos Cósmicos

Se fabricó un prototipo funcional de centelleador plástico segmentado en 3D para validar el concepto. La fabricación probablemente involucró un proceso de doble extrusión o de múltiples pasos:

1. Impresión de la matriz/rejilla reflectante estructural utilizando el nuevo filamento blanco.
2. Llenado de las cavidades dentro de esta matriz con material centelleante líquido, posiblemente utilizando una técnica similar al Modelado por Inyección Fundida (FIM) mencionada en el resumen.

• Rendimiento Luminoso: La cantidad de luz de centelleo recolectada por cubo, indicativa de la eficiencia del detector.
• Diafonía Óptica: El porcentaje de señal luminosa detectada en un cubo vecino no impactado, lo que degrada la resolución espacial.

3.1. Mediciones de Reflectividad y Transmitancia

La caracterización óptica confirmó la efectividad del compuesto PC/PMMA+TiO₂+PTFE. Las capas reflectantes impresas exhibieron una alta reflectancia total y una transmitancia muy baja, confirmando su idoneidad como aislantes ópticos. Se identificó la composición óptima y un espesor de capa de 1 mm, proporcionando un equilibrio entre el rendimiento óptico y la integridad mecánica/facilidad de impresión.

3.2. Rendimiento de Rendimiento Luminoso y Diafonía Óptica

Las pruebas con rayos cósmicos en el prototipo impreso en 3D arrojaron resultados prometedores:

• Rendimiento Luminoso Uniforme: La salida de luz fue consistente entre los diferentes cubos de la matriz segmentada, demostrando la uniformidad del proceso de impresión y llenado.
• Baja Diafonía Óptica: Se midió que la diafonía óptica era inferior al 2% para la matriz con una pared reflectante impresa de 1 mm de espesor. Esta es una mejora crítica respecto a intentos anteriores y se considera aceptable para aplicaciones que requieren seguimiento de partículas y calorimetría combinados.
• Paridad de Rendimiento: Se encontró que el rendimiento general del detector impreso en 3D era análogo al de los detectores estándar de centelleador plástico monolítico, al tiempo que ofrecía las ventajas inherentes de la segmentación y la libertad de diseño de la fabricación aditiva.

4.1. Detalles Técnicos y Formulación Matemática

La efectividad de un reflector difuso puede modelarse considerando el transporte de luz. Un parámetro clave es la reflectancia difusa $R_d$, que para un medio espeso y dispersante puede aproximarse mediante la teoría de Kubelka-Munk. Para una capa de espesor $d$, la reflectancia viene dada por: $$R \approx \frac{1 - R_g (a - b \coth(b S d))}{a - R_g + b \coth(b S d)}$$ donde $a = 1 + K/S$, $b = \sqrt{a^2 - 1}$, $K$ es el coeficiente de absorción, $S$ es el coeficiente de dispersión y $R_g$ es la reflectancia del material de respaldo. Para un reflector ideal y grueso que respalde un cubo centelleador, queremos $R \to 1$ y $K \to 0$. La alta carga de TiO₂ ($S \gg K$) en la matriz de PC/PMMA maximiza directamente $S$, llevando $R$ cerca de 1 y minimizando la luz transmitida que causa diafonía.

El rendimiento luminoso $LY$ para un segmento de centelleador individual puede expresarse como: $$LY \propto \eta_{scint} \cdot \eta_{coll} \cdot \eta_{det}$$ donde $\eta_{scint}$ es la eficiencia de centelleo, $\eta_{coll}$ es la eficiencia de recolección de luz y $\eta_{det}$ es la eficiencia cuántica del fotodetector. El reflector impreso optimiza directamente $\eta_{coll}$ al atrapar los fotones de centelleo dentro de su celda de origen mediante reflexión interna total y reflexión difusa en las paredes impresas.

4.2. Marco de Análisis: Matriz de Selección de Materiales

Seleccionar materiales para componentes de detectores impresos en 3D requiere equilibrar múltiples propiedades, a menudo conflictivas. Se puede utilizar el siguiente marco de matriz de decisión para evaluar materiales candidatos para el filamento reflector:

Análisis: El compuesto elegido PC/PMMA obtiene puntuaciones altas en todos los aspectos. Evita el defecto fatal del poliestireno (mezcla de materiales con centelleadores PS, como se señaló en trabajos previos [19,20]) al tiempo que ofrece una reflectividad superior al PMMA puro y buenas propiedades mecánicas del PC. Este marco justifica la elección del material como un compromiso de ingeniería robusto.