[論文レビュー] Additive manufacturing of fine-granularity optically-isolated plastic scintillator elements

S. Berns, E. Boillat+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、溶融積層成形（FDM）を用いて、最初の3次元プリントされた微細なグレイン、光学的遮断を施したプラスチックシンチレーター・キューブのマトリクスを実証した。1つの宇宙線ミューオンあたりの均一な光出力は約45光電子（p.e.）に達し、光学的クロストークは2%未塔であった。この手法は、1回の印刷工程でシンチレイティングおよび白色反射性フィラメントを統合し、3次元グレインを持つ完全に追加製造可能な粒子検出器の実現に向けた重要な一歩を示している。

ABSTRACT

Plastic scintillator detectors are used in high energy physics as well as for diagnostic imaging in medicine, beam monitoring on hadron therapy, muon tomography, dosimetry and many security applications. To combine particle tracking and calorimetry it is necessary to build detectors with three-dimensional granularity, i.e. small voxels of scintillator optically isolated from each other. Recently, the 3DET collaboration demonstrated the possibility to 3D print polystyrene-based scintillators with a light output performance close to that obtained with standard production methods. In this article, after providing a further characterization of the developed scintillators, we show the first matrix of plastic scintillator cubes optically separated by a white reflector material entirely 3D printed with fused deposition modeling. This is a major milestone towards the 3D printing of the first real particle detector. A discussion of the results as well as the next steps in the R&D is also provided.

研究の動機と目的

• 粒子検出器用の微細グレイン、光学的遮断を施したプラスチックシンチレイター素子をスケーラブルかつ低コストで生産する方法の開発。
• 従来の製造方法における小形で正確な形状のシンチレイターボクセルの課題を、追加製造（AM）によって克服すること。
• 粒子追跡とカリオメトリーを併せ持つ、3次元グレインを持つシンチレイターディテクタの実現。
• ポリスチレンベースのシンチレイターに適したFDM 3次元印刷の最適化、安定した光学的および機械的特性の確保。
• 1つの統合的プロセスでシンチレイティングおよび反射性材料を同時に印刷する可能性の実証。

提案手法

• ポリスチレンに2%のp-テルフェニルおよび0.05%のPOPOPをドーピングし、5%のビフェニルをプラスチック化剤として添加した、独自開発のシンチレイティングフィラメントを用いた溶融積層成形（FDM）3次元印刷。
• FDMに最適化された白色反射性フィラメントを製作し、シンチレイターボクセル間で高い反射率と機械的安定性を確保。
• 1 cm³のシンチレイターキューブを白色反射性材料で分離し、完全に統合され、光学的に遮断された構造の3次元マトリクスを印刷。
• 垂直方向の宇宙線ミューオンを用いて光出力を測定し、90Sr β線源による露出で信号をキャリブレーションし、MPPCのゲインとピクセル補正を決定。
• 主なキューブと隣接するキューブの光信号を比較することで光学的クロストークを評価し、比 M_xtalk / M_trk を用いて定量化。
• MPPCをCAEN DT5702フロントエンドボードで読み取り、ピクセル補正とゲイン補正を施した信号処理により、光電子（p.e.）抽出を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FDM 3次元印刷は、従来の方法と同等の性能を示す光学的遮断を施したプラスチックシンチレイターボクセルを生産可能か？
• RQ2 3次元プリントされたシンチレイターキューブのマトリクスにおける光出力の均一性および光学的クロストークのレベルはどの程度か？
• RQ3 1回のFDMプロセスで、十分な光学的および機械的安定性を確保しながら、シンチレイティングおよび反射性材料を同時に印刷可能か？
• RQ4 3次元プリントされたポリスチレンシンチレイターの光吸収長および透過率は、標準的な押出usionまたは成形されたシンチレイターと比較してどの程度か？
• RQ5 3次元プリントされたシンチレイターマトリクスは、1ナノ秒未塔の時間分解能を達成し、粒子追跡とカリオメトリーを併せ持てるか？

主な発見

• 3次元プリントされたシンチレイターマトリクスは、全キューブで均一に約45光電子（p.e.）の平均光出力を達成した。
• 隣接するシンチレイターキューブ間の光学的クロストークは2%未塔であった。これは、効果的な光学的遮断が実現されたことを示している。
• 印刷後のシンチレイティングフィラメントは、光出力や透過率に顕著な劣化を示さず、安定した光学的特性を維持した。
• 3次元プリントされた反射材は、隣接するシンチレイターボクセルを効果的に遮断し、顕著な光漏れを防いだ。
• この手法は、1つの統合的プロセスでシンチレイティングおよび反射性部品を再現可能に印刷できることを示した。
• これらの結果は、3次元グレインを持つ完全に3次元プリントされた粒子検出器の実現に向けた、画期的な一歩を示している。