Pembangunan Filamen Pemantul Serakan Novel untuk Pencetakan 3D Plastik Sintilator

2.1. Komposisi dan Fabrikasi Filamen

Inovasi teras terletak pada komposisi bahan filamen. Polimer asas ialah PC dan PMMA, dipilih kerana sifat terma dan mekanikalnya yang sesuai untuk FDM. Untuk mencapai keterpantulan serakan yang tinggi, polimer ini dimuatkan dengan agen serakan:

• Titanium Dioksida (TiO₂): Pigmen putih yang sangat memantul, menyediakan pusat serakan primer.
• Polytetrafluoroethylene (PTFE): Ditambah untuk meningkatkan lagi keterpantulan dan berpotensi memperbaiki lekatan lapisan dan sifat permukaan.

2.2. Persediaan Pencirian Optik

Prestasi optik sampel pemantul yang dicetak dinilai secara kuantitatif. Persediaan khusus digunakan untuk mengukur:

• Keterpantulan Jumlah: Pecahan cahaya tuju yang dipantulkan oleh sampel merentasi julat panjang gelombang yang relevan (kemungkinan sepadan dengan spektrum pancaran sintilator).
• Keterhantaran: Pecahan cahaya yang melalui sampel, yang sepatutnya minimum untuk pemantul yang berkesan.

2.3. Fabrikasi Prototaip dan Ujian Sinaran Kosmik

Prototaip plastik sintilator berpecah 3D yang berfungsi difabrikasi untuk mengesahkan konsep tersebut. Pembuatan berkemungkinan melibatkan proses dwi-pengekstrudan atau pelbagai langkah:

1. Mencetak matriks/grid pemantul struktur menggunakan filamen putih novel.
2. Mengisi rongga dalam matriks ini dengan bahan sintilator cecair, mungkin menggunakan teknik serupa dengan Pemodelan Suntikan Terlakur (FIM) seperti yang disebut dalam abstrak.

• Hasil Cahaya: Jumlah cahaya sintilasi yang dikumpul per kiub, menunjukkan kecekapan pengesan.
• Silang-Optik: Peratusan isyarat cahaya yang dikesan dalam kiub jiran yang tidak terkena, yang menurunkan resolusi spatial.

3.1. Pengukuran Keterpantulan dan Keterhantaran

Pencirian optik mengesahkan keberkesanan komposit PC/PMMA+TiO₂+PTFE. Lapisan pemantul yang dicetak mempamerkan keterpantulan jumlah yang tinggi dan keterhantaran yang sangat rendah, mengesahkan kesesuaiannya sebagai pengasing optik. Komposisi optimum dan ketebalan lapisan 1 mm dikenal pasti, memberikan keseimbangan antara prestasi optik dan integriti/kebolehcetakan mekanikal.

3.2. Prestasi Hasil Cahaya dan Silang-Optik

Ujian sinaran kosmik pada prototaip 3D yang dicetak memberikan keputusan yang memberangsangkan:

• Hasil Cahaya Seragam: Output cahaya adalah konsisten merentasi kiub berbeza dalam matriks berpecah, menunjukkan keseragaman proses pencetakan dan pengisian.
• Silang-Optik Rendah: Silang-optik diukur kurang daripada 2% untuk matriks dengan dinding pemantul cetakan setebal 1 mm. Ini adalah penambahbaikan kritikal berbanding percubaan sebelumnya dan dianggap boleh diterima untuk aplikasi yang memerlukan pengesanan zarah dan kalorimetri gabungan.
• Kesetaraan Prestasi: Prestasi keseluruhan pengesan 3D yang dicetak didapati setanding dengan pengesan plastik sintilator monolitik standard, sambil menawarkan kelebihan semula jadi pemecahan dan kebebasan reka bentuk daripada pembuatan tambahan.

4.1. Butiran Teknikal dan Formulasi Matematik

Keberkesanan pemantul serakan boleh dimodelkan dengan mempertimbangkan pengangkutan cahaya. Parameter utama ialah keterpantulan serakan $R_d$, yang untuk medium serakan tebal boleh dianggarkan oleh teori Kubelka-Munk. Untuk lapisan setebal $d$, keterpantulan diberikan oleh: $$R \approx \frac{1 - R_g (a - b \coth(b S d))}{a - R_g + b \coth(b S d)}$$ di mana $a = 1 + K/S$, $b = \sqrt{a^2 - 1}$, $K$ ialah pekali penyerapan, $S$ ialah pekali serakan, dan $R_g$ ialah keterpantulan bahan sokongan. Untuk pemantul tebal yang ideal menyokong kiub sintilator, kita mahukan $R \to 1$ dan $K \to 0$. Pemuatan TiO₂ yang tinggi ($S \gg K$) dalam matriks PC/PMMA secara langsung memaksimumkan $S$, mendorong $R$ menghampiri 1 dan meminimumkan cahaya terhantar yang menyebabkan silang-optik.

Hasil cahaya $LY$ untuk segmen sintilator tunggal boleh dinyatakan sebagai: $$LY \propto \eta_{scint} \cdot \eta_{coll} \cdot \eta_{det}$$ di mana $\eta_{scint}$ ialah kecekapan sintilasi, $\eta_{coll}$ ialah kecekapan pengumpulan cahaya, dan $\eta_{det}$ ialah kecekapan kuantum fotopengesan. Pemantul cetakan secara langsung mengoptimumkan $\eta_{coll}$ dengan memerangkap foton sintilasi dalam sel asalnya melalui pantulan dalaman total dan pantulan serakan pada dinding cetakan.

4.2. Kerangka Analisis: Matriks Pemilihan Bahan

Memilih bahan untuk komponen pengesan 3D yang dicetak memerlukan keseimbangan pelbagai sifat yang sering bercanggah. Kerangka matriks keputusan berikut boleh digunakan untuk menilai bahan calon untuk filamen pemantul:

Analisis: Komposit PC/PMMA yang dipilih mendapat skor tinggi merentasi semua aspek. Ia mengelakkan kelemahan fatal polistirena (pencampuran bahan dengan sintilator PS, seperti yang dinyatakan dalam kerja terdahulu [19,20]) sambil menawarkan keterpantulan yang lebih baik daripada PMMA tulen dan sifat mekanikal yang baik daripada PC. Kerangka ini mewajarkan pilihan bahan sebagai kompromi kejuruteraan yang kukuh.