[논문 리뷰] Additive manufacturing of fine-granularity optically-isolated plastic scintillator elements

S. Berns, E. Boillat외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 22.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 융합성형공정(FDM)을 사용하여 미세한 입자 구조를 가진 광학적으로 분리된 플라스틱 색소 결정립을 3차원 프린팅한 최초의 사례를 보여주며, 천체 입자 중성자에 의한 빛의 수확량이 약 45개의 광전자를 기록하고 광학적 교차 간섭은 2% 미만으로 유지된다. 이 방법은 한 번의 프린팅 과정에서 색소성 및 백색 반사성 필라멘트를 통합하여, 3차원 입체 구조를 가진 입자 검출기의 완전한 추가 제조 기술로 향한 중요한 발걸음이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 입자 검출기용 미세한 입자 구조를 가진 광학적으로 분리된 플라스틱 색소 요소를 확장 가능하고 비용 효율적으로 제조하는 방법 개발.
• 전통적인 제조 방식에서의 작은 정밀한 형상의 색소 볼륨 제작 과제를 추가 제조 기술(AM)을 통해 해결.
• 색소 검출기의 3차원 입체 구조를 실현하여 입자 궤적 추적과 칼로리메터 기능을 동시에 구현.
• 폴리스티렌 기반 색소 검출기용 FDM 3차원 프린팅을 최적화하여 안정된 광학적 및 기계적 성질 확보.
• 한 번의 통합된 프로세스에서 색소성 및 반사성 재료를 동시에 프린팅할 수 있는 가능성을 입증.

제안 방법

• 폴리스티렌에 2%의 p-테르펜일 및 0.05%의 POPOP를 도핑하고 5%의 비페닐을 플라스틱제로 사용한 특수 개발된 색소성 필라멘트를 사용한 융합성형공정(FDM) 3차원 프린팅.
• 색소 볼륨 간의 높은 반사율과 기계적 안정성을 확보하기 위해 FDM에 최적화된 백색 반사성 필라멘트 제작.
• 색소 결정립 1cm³의 3차원 매트릭스를 반사성 재료로 분리하여 완전히 통합되고 광학적으로 분리된 구조를 구현.
• 수직 방향의 천체 입자 중성자를 이용해 빛 수확량 측정 및 90Sr β원에 노출하여 MPPC의 감도 및 기준값 보정을 위한 캘리브레이션 수행.
• 주요 결정립의 신호와 인접한 결정립의 신호를 비교하여 광학적 교차 간섭을 정량화하고, 비율 M_xtalk / M_trk를 활용.
• CAEN DT5702 프론트엔드 보드를 통해 MPPC를 읽고, 기준값 제거 및 감도 보정을 포함한 신호 처리를 통해 광전자(p.e.) 추출 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FDM 3차원 프린팅을 통해 기존 방법과 유사한 성능을 가진 광학적으로 분리된 플라스틱 색소 볼륨을 제조할 수 있는가?
• RQ2 색소 결정립의 3차원 매트릭스에서 빛 수확량의 균일성과 광학적 교차 간섭 수준은 어떠한가?
• RQ3 한 번의 FDM 공정으로 색소성 및 반사성 재료를 충분한 광학적 및 기계적 안정성으로 동시에 프린팅할 수 있는가?
• RQ4 3차원 프린팅된 폴리스티렌 기반 색소 검출기의 감쇠 길이 및 투명도는 표준 와이어로 제조된 또는 성형된 색소 검출기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 3차원 프린팅된 색소 매트릭스는 1나노초 이내의 시간 해상도로 입자 궤적 추적과 칼로리메터 기능을 동시에 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 3차원 프린팅된 색소 매트릭스는 모든 결정립에서 약 45개의 광전자를 기록한 균일한 평균 빛 수확량을 달성하였다.
• 인접한 색소 결정립 간의 광학적 교차 간섭은 2% 미만으로 측정되어 효과적인 광학적 분리가 이루어졌음을 확인하였다.
• 프린팅 후에도 색소 필라멘트의 광학적 성질이 안정적으로 유지되었으며, 빛의 수확량이나 투명도에 유의미한 열화가 관찰되지 않았다.
• 3차원 프린팅된 반사성 재료는 인접한 색소 볼륨을 효과적으로 분리하여 빛의 유출을 최소화하였다.
• 이 방법은 색소성 및 반사성 구성 요소를 한 번의 통합된 프로세스에서 반복 가능하게 제조함을 입증하였다.
• 결과적으로, 3차원 입체 구조를 가진 완전한 3차원 프린팅된 입자 검출기 실현을 향한 중요한 전진이다.