SVILUPPO DI RIVESTIMENTI POLIMERICI
FUNZIONALIZZABILI PER SCINTILLATORI A
BASE DI CsI(Tl)
Gianfranco Carotenuto
Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali.
Piazzale E. Fermi, 1 – 80055 Portici (NA)
PERCHE’ RIVESTIRE I CRISTALLI?
Il rivestimento del cristallo scintillatore di CsI(Tl) con uno strato
continuo di materiale di grado ottico perfettamente aderente alla
sua superficie costituisce un trattamento utile per numerose ragioni:
Annulla la tossicità dovuta al tallio
Previene fenomeni di ossidazione superficiale
Riduce l’igroscopicità del CsI
Previene danni meccanici durante la manipolazione
Favorisce l’incollaggio al fotodiodo/fotomoltiplicatore
Tale rivestimento può essere effettuato con uno
strato di plastica/resina ottica per consentire alla
radiazione visibile prodotta dallo scintillatore di
uscire inalterata dal cristallo.
ADESIONE DI UN POLIMERO SU UN SOLIDO IONICO
Solido ionico
(CsI)
Polivinilcloruro
(PVC)
Anione
Gruppo laterale polare
Catione
Gruppo laterale polare
Solido polare
(rivestimento)
L’interazione tra gli ioni alla
superficie del cristallo
scintillatore e i gruppi laterali
polari della macromolecola è
possibile, ma in genere risulta
molto debole per la scarsa polarità
di questi gruppi funzionali.
PLASTICHE OTTICHE CHE NON ADERISCONO SU CsI
E’ stato da noi verificato sperimentalmente che le plastiche ottiche più
comuni non aderiscono al cristallo di CsI(Tl)
Plastiche ottiche testate:
Copolimero etilen-vinil-acetato (EVA)
Poli(metil metacrilato) (PMMA)
Polistirene (PS)
Policarbonato (PC)
Poliuretano termoplastico (TPU)
Silicone acetico (PMS)
Silicone
PMMA
TPU
EVA
Frammenti di polimero termoplastico scollatisi dal
substrato di CsI dopo l’evaporazione del solvente
ADESIONE SU MATERIALI CERAMICI
L’adesione dei polimeri sui
materiali ceramici in genere non è
critica per la presenza dello strato
di idrossido superficiale
I gruppi laterali del
polimero interagiscono con
gli OH alla superficie del
materiale ceramico
I cristalli di CsI(Tl) non hanno lo strato
di ossido superficiale!
POSSIBILE SOLUZIONE: RESINE EPOSSIDICHE
Resina base
E’ stato da noi ritrovato
sperimentalmente che le
resine epossidiche (sistemi
polimerici termoidurenti
bicomponenti) sono in grado
di aderire abbastanza
fortemente alla superficie
del cristallo ionico di CsI(Tl)
Indurente
Possibile meccanismo di adesione della resina epossidica alla superficie di CsI
O-
O
CH
Cs+I-
CH2
+
CH
Interazione ionica
cristallo-resina
O- Cs+
CH
H2N
CH2
NH
+ HI
CH2
+
NH
H
CsI
Legame chimico
Epoxy
RESINA EPOSSIDICA E-30 PROCHIMA
Aqua E-30: 100 parti di resina + 60 parti di indurente
Indurente
Resina base
100
90
Trasmittanza (%)
80
70
60
Autoassorbimento
del cristallo di CsI
(330nm)
50
40
30
20
368nm
10
Film sottili di resina E-30 per la
caratterizzazione ottica
0
300
400
500
600
700
800
Lunghezza d'onda (nm)
ATTENZIONE: la superficie dei film causava dispersione della luce
pertanto la trasmittanza misurata è inferiore a quella reale
DETTAGLI MISURA OTTICA
Spettrometro UV/VIS Perkin Elmer Lambda 800
Luce trasmessa attraverso il campione confrontata col fascio di
riferimento
Calibrazione in aria prima della prova
Intervallo di lunghezza d’onda utilizzato per il test: 300 -800
CRISTALLO DI CsI RIVESTITO CON E-30
E’ possibile ottenere uno strato di resina compatto e caratterizzato
da una eccellente adesione al substrato di CsI.
Strato di resina epossidica
Difetti inglobati nello strato di resina
Lo strato di resina è reso visibile dalla presenza di bollicine d’aria,
tuttavia la resina può essere accuratamente degasata dopo il
mescolamento dei due componenti e prima del suo utilizzo tenendola
in vuoto per 2h a 40°C.
DEGASAGGIO DELLA RESINA EPOSSIDICA
Superfice trattata
Pompa da vuoto a
membrana
Apparato utilizzato per il degasaggio
della resina (forno a vuoto)
Superficie del cristallo di CsI rivestita
con resina epossidica degasata
La resina epossidica è stata applicata alla
superficie del cristallo di CsI mediante una spatola
RIMOZIONE DELLO STRATO DI RESINA
Lo strato di resina epossidica, in quanto materiale termoindurente, una
volta applicato alla superficie del cristallo di CsI:Tl non può essere rimosso
ne con solventi ne per riscaldamento (fusione), ma soltanto meccanicamente
(per esempio, mediante l’utilizzo di abrasivi o di una punta).
Superficie
trattata
RESINE EPOSSIDICHE CON CUT-OFF PIU’ ADEGUATO
BC-600
EJ-500
Araldite Cristal
Sono disponibili in commercio numerose resine
epossidiche di grado ottico con un cut-off nella
regione spettrale dell’UV lievemente diverso.
FUNZIONALIZZAZIONE DEL RIVESTIMENTO
La presenza di uno strato di rivestimento sul cristallo
scintillatore consente anche l’introduzione nel sistema di
particolari funzionalità come:
Fluorescenza (introduzione di fluorofori)
Riflessione interna (introduzione di TEFLON in polvere)
Epoxy-PTFE
Resina E-30 funzionalizzata
con polvere di teflon
