[論文レビュー] 3D Printing of Scintillating Materials

Yonatan Mishnayot, Michael Layani+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2014

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、立体造形法を用いたサイレント材料の3Dプリンティングを、初めて実証した。その結果、商業用EJ-204サイレントレーターと比較して約30%のサイレント効率を達成した。この手法により、従来の機械加工や鋳造では実現できない、中空でメッシュキャップ付きの円筒形、あるいは統合された溝を有する複雑なカスタム形状を実現可能とし、新たな放射線検出器設計の道筋を拓いた。

ABSTRACT

We demonstrate, for the first time, the applicability of 3D printing technique to the manufacture of scintillation detectors. We report of a formulation, usable in stereolithographic printing, that exhibits scintillation efficiency on the order of 30\% of that of commercial polystyrene based scintillators. We discuss the applicability of these techniques and propose future enhancements that will allow tailoring the printed scintillation detectors to various application.

研究の動機と目的

• 立体造形法に適した3Dプリンタブルなサイレントレーター配合物の開発。
• 従来のサイレントレーター製造法の限界（長時間の硬化、型の複雑さ、幾何的制約）を加法製造により克服すること。
• 従来の機械加工や鋳造では実現不可能な、中空、ガス充填、繊維統合型などの複雑な検出器設計の製造を可能とすること。
• 印刷試料のサイレント効率を商業基準（例：EJ-204）と比較して評価すること。
• 長期安定性を損なう要因（例：揮発性ドーパントの昇華）を同定し、それらの緩和策を講じること。

提案手法

• 紫外線硬化性アクリル樹脂（SR9035）に0.5 wt%の光重合開始剤（Lucirin TPO）を配合し、立体造形法に適した印刷条件を整えた。
• サイレント化合物として、PPO（1 wt%）、POPOP（0.05–0.08 wt%）、ナフタレン（1–15 wt%）をドーピングし、波長シフト効果を発現させた。
• 20 mm直径、6.3 mm高さの円筒形試料を、Asiga Pico Plus 39プリンタを用いて25 µmおよび127 µmの2種類のレイヤー厚さで印刷した。
• 15.1 kBqの90Sr放射源と、100 mmの光ガイドを備えたフォトマルチプライヤー管（Hamamatsu R647）を用い、CAEN V1720デジタイザで光出力を測定した。
• 遮光環境下で、印刷試料の光出力を基準のPMMAおよびEJ-204サイレントレーター試料と比較した。
• 中空でメッシュキャップ付きの円筒形、外部に溝を有する構造（波長シフトファイバー用）を含む複雑なプロトタイプを印刷し、設計の柔軟性を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 立体造形法による3Dプリンティングは、実用的な放射線検出用途に適した十分な光出力効率を有するサイレント材料を生成できるか？
• RQ2 3Dプリンティングは、従来の機械加工や鋳造では実現不可能な、中空、ガス充填、ファイバー統合型などの複雑なサイレントレーター形状を製造可能か？
• RQ3 3Dプリンティングされたサイレントレーターにおけるレイヤー厚さおよび界面品質が、光収集効率に与える影響は何か？
• RQ4 印刷サイレントレーターにおけるサイレント効率の低下の主な要因は何か。また、それらを緩和する方法は何か？
• RQ5 3Dプリンティングプロセスを拡張し、ジルコニウム（Gd）や高原子番号（高Z）材料などの追加ドーパントを組み込むことで、中性子や光子の検出を強化できるか？

主な発見

• 最良の性能を示した印刷試料は、商業用EJ-204サイレントレーターと比較して約30%のサイレント効率を達成した。
• ドーパント濃度が高くなるほど効率が向上し、最高効率（28%）は15 wt%ナフタレン、1.5 wt% PPO、0.08 wt% POPOPを含む配合物で達成された。
• レイヤー厚さを127 µmから25 µmに短縮したことで、効率は27%から28%に向上し、界面散乱の低減が寄与している可能性が示唆された。
• 時間経過に伴いサイレント効率の低下が観察されたが、主に高濃度の揮発性ナフタレンドーパントの昇華が原因とされた。
• 中空でメッシュキャップ付きの円筒形、外部に溝を有する構造（波長シフトファイバー用）を含む複雑な形状も成功裏に印刷され、従来法では実現不可能な設計の自由度が実証された。
• 本研究は、3Dプリンティングを用いた形状カスタマイズ可能なサイレントレーターの実現可能性を確認した。今後の段階では、マルチマテリアルまたは勾配ドーピングを用いた印刷も可能性として示唆された。