Разработка новой нити для диффузного отражателя для аддитивного производства 3D-печатных пластиковых сцинтилляторов

2.1. Состав и изготовление нити

Ключевая инновация заключается в материальном составе нити. Базовыми полимерами являются ПК и ПММА, выбранные за их термические и механические свойства, подходящие для FDM. Для достижения высокой диффузной отражательной способности эти полимеры наполняются рассеивающими агентами:

• Диоксид титана (TiO₂): Высокоотражающий белый пигмент, обеспечивающий основные центры рассеяния.
• Политетрафторэтилен (ПТФЭ): Добавлен для дальнейшего повышения отражательной способности и потенциального улучшения адгезии слоёв и поверхностных свойств.

2.2. Установка для оптической характеризации

Оптические характеристики напечатанных образцов отражателя были количественно оценены. Для измерений использовалась специальная установка:

• Полное отражение: Доля падающего света, отражённого образцом в соответствующем диапазоне длин волн (вероятно, соответствующем спектру излучения сцинтиллятора).
• Пропускание: Доля света, проходящего через образец, которая должна быть минимальной для эффективного отражателя.

2.3. Изготовление прототипа и тестирование космическими лучами

Для проверки концепции был изготовлен функциональный 3D-сегментированный прототип пластикового сцинтиллятора. Производство, вероятно, включало двухэкструдерный или многоэтапный процесс:

1. Печать структурной отражающей матрицы/сетки с использованием новой белой нити.
2. Заполнение полостей в этой матрице жидким сцинтилляционным материалом, возможно, с использованием техники, аналогичной моделированию методом инжекционного наплавления (FIM), как упоминалось в аннотации.

• Световой выход: Количество собираемого сцинтилляционного света на куб, что указывает на эффективность детектора.
• Оптические наводки: Процент светового сигнала, детектируемого в соседнем, не затронутом частицей кубе, что ухудшает пространственное разрешение.

3.1. Измерения отражательной способности и пропускания

Оптическая характеризация подтвердила эффективность композита ПК/ПММА+TiO₂+ПТФЭ. Напечатанные отражающие слои продемонстрировали высокое полное отражение и очень низкое пропускание, подтвердив их пригодность в качестве оптических изоляторов. Были определены оптимальный состав и толщина слоя в 1 мм, обеспечивающие баланс между оптическими характеристиками и механической целостностью/пригодностью к печати.

3.2. Световой выход и уровень оптических наводок

Тестирование 3D-печатного прототипа космическими лучами дало многообещающие результаты:

• Равномерный световой выход: Световой выход был одинаковым для разных кубов в сегментированной матрице, что демонстрирует равномерность процессов печати и заполнения.
• Низкий уровень оптических наводок: Уровень оптических наводок для матрицы с напечатанной отражающей стенкой толщиной 1 мм составил менее 2%. Это критическое улучшение по сравнению с предыдущими попытками и считается приемлемым для приложений, требующих комбинированного трекинга частиц и калориметрии.
• Паритет производительности: Общая производительность 3D-печатного детектора оказалась аналогичной производительности стандартных монолитных детекторов из пластикового сцинтиллятора, при этом предлагая присущие аддитивному производству преимущества сегментации и свободы дизайна.

4.1. Технические детали и математическая формулировка

Эффективность диффузного отражателя может быть смоделирована с учётом переноса света. Ключевым параметром является диффузная отражательная способность $R_d$, которая для толстой рассеивающей среды может быть аппроксимирована теорией Кубелки-Мунка. Для слоя толщиной $d$ отражательная способность задаётся формулой: $$R \approx \frac{1 - R_g (a - b \coth(b S d))}{a - R_g + b \coth(b S d)}$$ где $a = 1 + K/S$, $b = \sqrt{a^2 - 1}$, $K$ — коэффициент поглощения, $S$ — коэффициент рассеяния, а $R_g$ — отражательная способность подложки. Для идеального толстого отражателя, подложенного под сцинтилляционный куб, мы хотим, чтобы $R \to 1$ и $K \to 0$. Высокая концентрация TiO₂ ($S \gg K$) в матрице ПК/ПММА напрямую максимизирует $S$, приближая $R$ к 1 и минимизируя прошедший свет, вызывающий наводки.

Световой выход $LY$ для одного сегмента сцинтиллятора может быть выражен как: $$LY \propto \eta_{scint} \cdot \eta_{coll} \cdot \eta_{det}$$ где $\eta_{scint}$ — эффективность сцинтилляции, $\eta_{coll}$ — эффективность сбора света, а $\eta_{det}$ — квантовая эффективность фотодетектора. Напечатанный отражатель напрямую оптимизирует $\eta_{coll}$, удерживая сцинтилляционные фотоны в их исходной ячейке посредством полного внутреннего отражения и диффузного отражения на напечатанных стенках.

4.2. Методология анализа: Матрица выбора материалов

Выбор материалов для 3D-печатных компонентов детектора требует балансировки множества, часто противоречивых, свойств. Для оценки материалов-кандидатов на роль отражающей нити может использоваться следующая матрица принятия решений:

Анализ: Выбранный композит ПК/ПММА демонстрирует высокие оценки по всем параметрам. Он избегает фатального недостатка полистирола (смешивание материала с ПС-сцинтилляторами, как отмечено в предыдущих работах [19,20]), предлагая при этом превосходную отражательную способность по сравнению с чистым ПММА и хорошие механические свойства от ПК. Эта методология оправдывает выбор материала как надёжный инженерный компромисс.