Сібілєва Т. Г. Виготовлення сцинтиляторів на основі полістиролу методом 3D-друку

Дисертація присвячена питанням отримання методом 3D-друку пластмасових сцинтиляторів на основі полістиролу із світловідбивачем на поверхні, зокрема, у вигляді дрібносегментованих сцинтиляторів. В останні роки відбувається прогрес у розробці нових тривимірних пластмасових дрібносегментованих детекторів для зображення електромагнітних і адронних потоків, а також взаємодії нейтрино, наприклад у таких експериментах як T2K та DUNE. Такі дрібносегментовані детектори з можливостями відстеження подій складаються із сцинтиляційних елементів, які оптично ізольовані один від одного відбивачем, а збір сцинтиляційного світла у трьох площинах відбувається за допомогою спектрозміщуючих волокон. При цьому, чим менше розмір сцинтиляційного елементу – тим вище просторове розділення при відстеженні подій. Вимоги до продуктивності дрібносегментованого детектору включають: високий світловий вихід, дрібну сегментованість у поєднанні з оптичною ізоляцією, тривалу стабільність і короткий час випромінювання. Наприклад, новий дрібносегментований детектор, розроблений у проєкті «SuperFGD», який використовується в модернізації ближнього детектора у експерименті T2K, розгортає три площини зчитування, щоб забезпечити ізотропну тривимірну реконструкцію взаємодії нейтрино. Наразі проєкти модернізації детекторів нейтрино потребують від двох до десяти мільйонів кубиків розміром 10 мм × 10 мм × 10 мм із сцинтиляційного матеріалу на вініл-ароматичній полімерній основі (полістирол або полівінілтолуол) з відбивачем на поверхні, а також з ортогональними отворами під спектрозміщуюче волокно. Складність геометрії такого детектора вимагає кількох етапів виробництва із залученням спеціалізованого обладнання на кожному етапі, включаючи виготовлення кожного окремого кубика пластмасового сцинтилятору, створення оптичної ізоляції за допомогою хімічного травлення поверхні кожного кубика та свердління отворів у трьох площинах для розміщення спектрозміщуючих волокон. Крім того, збірка декількох мільйонів кубиків вимагає значних зусиль і потребує поєднання з міцною опорною конструкцією, яка механічно підтримує структурну цілісність усього детектора. Таким чином, стандартні технології виробництва дуже трудомісткі через багатостадійність виготовлення та складність збирання окремих кубиків в єдиний детектор. В дисертаційній роботі запропоновано використання 3D-друку для виробництва сцинтиляційних детекторів зі складною геометрією, що дозволяє спростити процес виготовлення багатоелементних дрібносегментованих сцинтиляторів за рахунок створення більш великих блоків, так званих «Суперкубів», які складаються із нероз’ємних сцинтиляційних елементів. Завдяки можливості друкувати одразу декількома матеріалами, використання 3D-друку створює перспективу одночасно виготовляти сцинтилятор та відбивач, а отвори під спектрозміщуюче волокно можливо формувати під час друку без необхідності свердлити їх. Тобто 3D-друк може дати можливість створювати сцинтилятори зі складною геометрією, уникаючи багатостадійності виробництва, постобробки, а також уникнути додаткових опірних конструкцій при зборці детектору. Тому актуальним завданням сучасного сцинтиляційного матеріалознавства є розробка сцинтиляційних і світловідбиваючих матеріалів для 3D-друку та розробка технологічних підходів для виготовлення багатоелементних дрібносегментованих детекторів, зокрема методами 3D друку, а також вивчення оптичних і сцинтиляційних властивостей отриманих зразків. В дисертаційній роботі розроблено сцинтиляційні та світловідбиваючі філаменти для виготовлення сцинтиляційних елементів на основі полістиролу з відбивачем на поверхні методами 3D-друку. Отримані філаменти дозволяють виготовляти багатоелементні дрібносегментовані сцинтилятори в одному виробничому циклі без додаткової постобробки. Досліджено вплив введення пластифікаторів у склад матеріалу сцинтиляційного філаменту на оптичні та сцинтиляційні характеристики. Виготовлений філамент має мінімальний радіус вигину 65 мм, що дозволяє здійснювати 3D-друк пластмасових сцинтиляторів без розтріскування філаменту у системі живлення 3D принтеру, який працює за технологією моделювання методом пошарового наплавлення (FDM). Визначено вплив режимів 3D-друку на оптичні та сцинтиляційні характеристики отриманих зразків пластмасових сцинтиляторів на основі полістиролу. Показано, що оптимізований режим друку дозволяє отримувати прозорі зразки пластмасових сцинтиляторів з технічною довжиною ослаблення до 20 см і сцинтиляційними характеристиками, порівняними зі зразками, виготовленими за традиційними технологіями (полімеризація у масі, екструзія та лиття під тиском). Досліджено вплив різних пігментів та полімерних сполучних середовищ у складі світловідбиваючих філаментів на відбиваючу здатність надрукованих зразків відбивачів, також виявлено залежність коефіцієнтів відбиття та пропускання від концентрації пігментів та товщини зразків.