[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究首次展示了通过立体光刻技术实现闪烁材料的3D打印，实现了约商业EJ-204闪烁体30%的闪烁效率。该方法可制造复杂、定制化的几何结构——如带集成凹槽的中空网帽圆柱体——这些结构通过传统机加工或铸造无法实现，为量身定制辐射探测器设计开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于立体光刻打印技术的可3D打印闪烁配方。
• 通过增材制造克服传统闪烁体制造的局限性，如长时间固化、模具复杂性和几何形状限制。
• 实现难以通过传统机加工或铸造实现的复杂探测器结构的制造，包括中空、充气或集成纤维的结构。
• 评估打印样品相对于商业标准（如EJ-204）的闪烁效率。
• 识别并解决降解机制（如挥发性掺杂剂升华）以确保长期稳定性。

提出的方法

• 配制了含0.5 wt%光引发剂（Lucirin TPO）的紫外可固化丙烯酸树脂（SR9035），适用于立体光刻打印。
• 向树脂中掺杂闪烁化合物：PPO（1 wt%）、POPOP（0.05–0.08 wt%）以及作为波长转换活化剂的萘（1–15 wt%）。
• 使用Asiga Pico Plus 39打印机，以两种层厚（25 µm 和 127 µm）打印了直径20 mm、高6.3 mm的圆柱形样品。
• 采用15.1 kBq的90Sr源，通过带有100 mm光导的光电倍增管（Hamamatsu R647）测量光输出，使用CAEN V1720数字化仪采集数据。
• 在遮光环境中将打印样品的光输出与参考PMMA和EJ-204闪烁体样品进行比较。
• 打印了复杂原型，包括带外部凹槽以容纳波长转换纤维的中空网帽圆柱体，以展示设计灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 立体光刻3D打印能否生产出足够光输出效率的闪烁材料，以满足实际辐射探测应用需求？
• RQ2 3D打印能否制造出传统机加工或铸造无法实现的复杂闪烁体几何结构（如中空、充气或纤维集成结构）？
• RQ3 3D打印闪烁体中的层厚和界面质量如何影响光收集效率？
• RQ4 打印闪烁体中闪烁效率退化的主要原因是什么，如何加以缓解？
• RQ5 3D打印工艺能否扩展以引入额外掺杂剂（如Gd、高原子序数材料），以增强对中性粒子（如中子或光子）的探测能力？

主要发现

• 性能最佳的打印样品实现了约30%的闪烁效率，相对于商业EJ-204闪烁体。
• 效率随掺杂浓度升高而提升：最高效率（28%）出现在15 wt%萘、1.5 wt% PPO和0.08 wt% POPOP的组合下。
• 将层厚从127 µm降低至25 µm，效率从27%提升至28%，表明界面散射效应减少。
• 观察到闪烁效率随时间退化，主要归因于高浓度下挥发性萘活化剂的升华。
• 成功打印了复杂结构，包括带外部凹槽以容纳波长转换纤维的中空网帽圆柱体，展示了传统方法无法实现的设计自由度。
• 本研究证实了利用3D打印制造具有定制几何形状的闪烁体的可行性，并为未来实现多材料或梯度掺杂打印提供了潜在路径。