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 – Portici (NA)

PERCHE’ RIVESTIRE I CRISTALLI?  Annulla la tossicità dovuta al tallio  Previene fenomeni di ossidazione superficiale  Riduce l’igroscopicità del CsI  Previene danni meccanici durante la manipolazione 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.  Favorisce l’incollaggio al fotodiodo/fotomoltiplicatore 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:

ADESIONE DI UN POLIMERO SU UN SOLIDO IONICO Anione Catione Gruppo laterale polare 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. Polivinilcloruro (PVC) Solido ionico (CsI) Solido polare (rivestimento)

PLASTICHE OTTICHE CHE NON ADERISCONO SU CsI  Copolimero etilen-vinil-acetato (EVA)  Poli(metil metacrilato) (PMMA)  Polistirene (PS)  Poliuretano termoplastico (TPU)  Policarbonato (PC)  Silicone acetico (PMS) Frammenti di polimero termoplastico scollatisi dal substrato di CsI dopo l’evaporazione del solvente EVA Silicone PMMA TPU E’ stato da noi verificato sperimentalmente che le plastiche ottiche più comuni non aderiscono al cristallo di CsI(Tl) Plastiche ottiche testate:

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 cristalli di CsI(Tl) non hanno lo strato di ossido superficiale! I gruppi laterali del polimero interagiscono con gli OH alla superficie del materiale ceramico

POSSIBILE SOLUZIONE: RESINE EPOSSIDICHE 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) Resina base Indurente CHCH 2 O +H2NH2N Possibile meccanismo di adesione della resina epossidica alla superficie di CsI CHCH 2 O-O- NH H Cs + I - CHCH 2 O-O- NH + HI Cs + + Legame chimico CsI Epoxy Interazione ionica cristallo-resina

RESINA EPOSSIDICA E-30 PROCHIMA Film sottili di resina E-30 per la caratterizzazione ottica Indurente Resina base Aqua E-30: 100 parti di resina + 60 parti di indurente 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:

CRISTALLO DI CsI RIVESTITO CON E-30 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. E’ possibile ottenere uno strato di resina compatto e caratterizzato da una eccellente adesione al substrato di CsI. Difetti inglobati nello strato di resina Strato di resina epossidica

DEGASAGGIO DELLA RESINA EPOSSIDICA Superficie del cristallo di CsI rivestita con resina epossidica degasata Apparato utilizzato per il degasaggio della resina (forno a vuoto) La resina epossidica è stata applicata alla superficie del cristallo di CsI mediante una spatola Pompa da vuoto a membrana Superfice trattata

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) Resina E-30 funzionalizzata con polvere di teflon Epoxy-PTFE