[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文首次通过熔融沉积成型（FDM）技术实现了细粒度、光学隔离的塑料闪烁体立方体的3D打印矩阵，实现了每颗宇宙μ子约45个光电子的均匀光输出，光学串扰低于2%。该方法在单道打印过程中集成闪烁和白色反射性丝材，标志着向实现具有3D粒度的全增材制造粒子探测器迈出了关键一步。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低成本的方法，用于生产用于粒子探测器的细粒度、光学隔离的塑料闪烁体元件。
• 通过增材制造（AM）克服传统方法在制造小型、精确形状闪烁体像素时面临的挑战。
• 实现在闪烁体探测器中三维粒度，以实现粒子跟踪与量能的结合。
• 优化FDM 3D打印工艺，用于基于聚苯乙烯的闪烁体，确保光学与机械性能稳定。
• 证明在单一集成过程中同时打印闪烁材料与反射材料的可行性。

提出的方法

• 采用自研闪烁丝材的熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，丝材成分为掺杂2% p-terphenyl与0.05% POPOP的聚苯乙烯，另添加5%联苯作为增塑剂。
• 开发了一款专用于FDM的白色反射丝材，确保高反射率与闪烁体像素间的机械稳定性。
• 打印出由1 cm³闪烁体立方体组成的3D矩阵，立方体之间由白色反射材料分隔，形成完全集成、光学隔离的结构。
• 通过垂直入射的宇宙μ子测量光输出，并利用90Sr β源照射进行信号标定，以确定MPPC增益与基线校正。
• 通过比较主立方体与相邻立方体的光信号，量化光学串扰，采用比值 M_xtalk / M_trk 进行分析。
• 采用CAEN DT5702前端板读出MPPC，信号处理包括基线减除与增益校正，以提取光电子数（p.e.）。

实验结果

研究问题

• RQ1 FDM 3D打印能否实现光学隔离的塑料闪烁体像素，其性能可与传统方法相媲美？
• RQ2 在3D打印的闪烁体立方体矩阵中，光输出均匀性与光学串扰水平如何？
• RQ3 单一FDM工艺能否同时稳定打印闪烁材料与反射材料，且具备足够的光学与机械稳定性？
• RQ4 3D打印聚苯乙烯闪烁体的衰减长度与透明度与标准挤出或模压闪烁体相比如何？
• RQ5 3D打印的闪烁体矩阵能否支持兼具粒子跟踪与量能测量，且时间分辨率优于1 ns？

主要发现

• 3D打印的闪烁体矩阵在所有立方体中实现了约45个光电子/宇宙μ子的均匀平均光输出。
• 相邻闪烁体立方体间的光学串扰测量值低于2%，证实了有效的光学隔离。
• 打印后闪烁丝材的光学性能保持稳定，光输出与透明度无显著退化。
• 3D打印的反射材料有效隔离了相邻的闪烁体像素，防止了显著的光泄漏。
• 该方法在单道集成过程中可重复打印闪烁与反射组件。
• 该成果标志着向实现具有3D粒度的全3D打印粒子探测器迈出了重大里程碑。