ЖИДКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР Российский патент 1997 года по МПК G01T1/204 

Изобретение относится к созданию материалов для сцинтилляционной техники, а именно к разработке составов жидких сцинтилляторов (ЖС) для больших сцинтилляционных счетчиков и, может быть использовано для регистрации космических излучений.

ЖС обладают рядом достоинств, позволяющих применять их там, где кристаллические сцинтилляторы оказываются непригодными. Они имеют короткое время высвечивания, высокую прозрачность к собственному излучению и их можно применять в сколь угодно больших объемах, придавать им любую форму в зависимости от формы детектора, вводить в них источник излучения.

ЖС просты в изготовлении, их стоимость определяется стоимостью растворителя (основы) и люминофоров (активаторов). Это позволяет применять ЖС и в больших объемах, например, при исследовании космических излучений, падающих на большие поверхности сцинтиллятора.

Известны составы ЖС на основе ароматических углеводородов, например, на основе толуола [1] Лучшими активаторами для ЖС на этой основе являются полифенильные углеводороды (в частности п-терфенил), 2,5-диарилоксазолы, 2,5-диарил-1,3,4-оксадиазолы; менее эффективны 1,3,5-триарил-2-пиразолины.

ЖС, представляющий собой раствор смеси п-терфенила (4 г/л и 1,4-бис-/5-фенил-2-оксазолил) бензола (РОРОР) (0,1 г/л) в толуоле служит эталоном в сцинтилляционной технике, его сцинтилляционная эффективность (J_сц.) принята за 100% [2]
Недостатком ЖС на основе толуола является низкая температура кипения (110^oC); пожаро- и взрывоопасность (температура вспышки 4^oC).

Большей эффективностью обладают ЖС на основе дитолилметана, в которых в качестве активаторов используют 2,5-дифенилоксазол (РРО), 2-фенил-5-/4-бифенилил/-1,3,4-оксадиазол (РВД) при концентрации 5 г/л [3] Эти ЖС, имеющие высокую сцинтилляционную эффективность (125-160%), обладают большой прозрачностью (при 390 нм 75-90), высокой температурой кипения (280^oC) и вспышки (150^oC). Однако, в связи с ограниченной доступностью и высокой стоимостью основы, такие ЖС не нашли широкого использования.

При создании ЖС для исследования космических излучений, применяемых в объемах, достигающих иногда сотен кубометров, наряду с решением главной задачи достижением высокой сцинтилляционной эффективности возникает необходимость в поиске недефицитных, дешевых, по возможности, неогнеопасных или менее огнеопасных составов ЖС, чем существующие.

Известно применение этой цели в качестве основ ЖС некоторых погонов нефти.

Так, например, известен ЖС на основе уайт-спирита, содержащий люминесцирующие добавки РРО и РОРОР, концентрация которых из-за плохой растворимости активаторов в уайт-спирите невелика и составляет соответственно, 1,0 и 0,03 г/л [4] J_сц. такого состава по отношению к эталонному сцинтиллятору составляет 43% Недостатком известного ЖС на основе уайт-спирита является и его низкая температура вспышки (33^oC), вследствие чего работа с ним огнеопасна.

Известны составы ЖС на основе вазелинового масла, содержащие до 10% нафталина или α -метилнафталина и люминесцирующую добавку РРО (5 г/л) или ее смесь с РОРОР (0,1 г/л) [5] J_сц. этих сцинтилляторов составляет 45-55%
Применение других активаторов в сцинтилляторах на основе вазелинового масла, например, смеси п-терфенила с РОРОР, нецелесообразно, так как растворимость п-терфенила в вазелиновом масле не превышает 1 г/л и эффективность такого состава очень низка.

Кроме того, использование ЖС на основе вазелинового масла в больших объемах малоэффективно, так как малая оптическая прозрачность основы затрудняет передачу энергии возбуждения к активирующей добавке.

Таким образом, недостатками ЖС на основе вазелинового масла являются низкая растворимость в нем люминесцирующих добавок, ограничивающая круг ЖС на этой основе, низкая сцинтилляционная эффективность и малая оптическая прозрачность. Необходима трудоемкая очистка вазелинового масла, приводящая к увеличению стоимости ЖС, что ограничивает их доступность.

Задача изобретения разработка составов ЖС, которые позволили бы повысить сцинтилляционную эффективность, улучшить прозрачность и обеспечить производство ЖС более дешевым и доступным сырьем.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения жидких сцинтилляторов на основе нефтяных углеводородов с добавкой ароматического углеводорода и активатора, согласно изобретению, в качестве основы сцинтиллятор содержит жидкие парафины с температурой кипения 232-334^oC, в качестве ароматического углеводорода -нафталин, или - метилнафталин или ксилол или смесь нафталина с ксилолом, в качестве активатора 2-фенил-5-4-бифенил/-оксазол (ВРО) или 1,3,5-трифенил-2-пиразолин (ТФП), или 2,5-дифенилоксазол (РРО) при следующем соотношении компонентов, мас.

Жидкие парафины 79,5-94,5
Ароматический углеводород 5-20
Активатор 0,4-0,6
Жидкие парафины являются серийным продуктом, выпускаемым нефтеперерабатывающей промышленностью Украины, представляют собой погон нефти, содержат смеси п-алканов с небольшими (до 1%) содержанием примесей изопарафинов, нафтеновых и ароматических углеводородов с интервалом кипения 232-334^oC и используются в основном для производства белково-витаминных концентратов (ТУ 38.201449-85) [6] Использование жидких парафинов в составах ЖС до сего времени неизвестно. Жидкие парафины имеют температуру вспышки 98^oC и сцинтилляторы на этой основе практически неогнеопасны.

Наличие в составе сцинтиллятора ароматического углеводорода, в частности нафталина или a -метилнафталина или ксилола, обеспечивает эффективную передачу энергии возбуждения от основы к активатору, что приводит к повышению сцинтилляционной эффективности ЖС. Использование ароматического углеводорода в количестве ниже заявляемого предела недостаточно для повышения сцинтилляционной эффективности ЖС по сравнению с прототипом, а использование нафталина в больших, чем указанных количествах при хранении сцинтиллятора приводит к выпадению нафталина в осадок. Введение в ЖС, содержащий 10% нафталина, такого же количества ксилола, предупреждает выпадение нафталина в условиях хранения; увеличение количества ксилола выше 20% повышает пожароопасность ЖС, а применение a -метилнафталина в больших, чем указано концентрациях, экономически нецелесообразно.

Применение жидких парафинов как основы ЖС дает возможность использовать в качестве активаторов не только 2,5-диарилоксазолы, но и значительно более доступные 1,3,5-триарил-2-пиразолины, в частности 1,3,5-трифенил-2-пиразолин (ТФП), легко получающимся кратковременным, одностадийным синтезом из доступного сырья [7] Это очень важно при применении заявляемых новых ЖС в больших объемах.

Пример 1. В емкость заливают 18,9 г (9,45%) жидкого парафина и растворяют в нем 1,0 г (0,5%) нафталина и 0,1 г (0,05%) РРО до полного растворения добавок.

Сцинтилляционная эффективность ЖС определяли по среднему фототоку ФЭУ-13А при облучении их радиоактивным источником ¹³⁷CS по отношению к эталонному раствору (4 г/л п-терфенила и 0,1 г/л РОРОР в толуоле).

Сцинтилляционная эффективность 54%
Спектры люминесценции ЖС измеряли на установке, состоящей из зеркального монохроматора ЗМР-3, приемника оптического излучения ФЭУ-18, микроамперметра М-95. Фотолюминесценцию возбуждали лампой СВДШ-500, из спектра которой кварцевым монохроматором выделяли свет с длиной волны 313 нм.

Максимум люминесценции (λлюм.макс.

В таблице приведены сравнительные данные по составу, максимуму излучения, сцинтилляционной эффективности, прозрачности заявляемого жидкого сцинтиллятора, прототипа и аналога.

Примеры наглядно показывают эффективность жидких парафинов как основ ЖС при использовании активаторов разных классов, в том числе доступного ТФП.

При применении, как и в прототипе, в тех же количествах РРО даже без дополнительного введения сместителя спектра (пример 2) получают ЖС с J_сц. до 64% т. е. выше, чем у прототипа, а при использовании более длинноволнового активатора того же класса 2-/4-бифенилил/-5-фенилоксазола (ВРО)0 J_сц повышается до 90% (пример 7).

ЖС на основе жидких парафинов с активатором ТФП (примеры 9-13, 16, 17) по сцинтилляционной эффективности практически одинаковы с ЖС, у которых активатором служит менее доступный РРО.

При использовании активаторов выше и ниже заявляемых пределов наблюдается уменьшение сцинтилляционной эффективности (примеры 14 и 15).

Таким образом, применение в качестве основы жидких сцинтилляторов более дешевого и доступного, не требующего специальной очистки, погона нефти - жидких парафинов в сочетании с ароматическими углеводородами дает возможность значительно повысить прозрачность, сцинтилляционную эффективность ЖС, использовать дешевый и доступный активатор 1,3,5-трифенил-2-пиразолин и, что очень важно при работе с большими объемами, снизить пожароопасность.

В настоящее время изготовлены лабораторные образцы предлагаемого ЖС, которые планируется передать в специальные лаборатории Украины и стран СНГ для проведения сцинтилляционных исследований.

Опытные партии заявляемого ЖС предполагается освоить в течение 1995 г. на Опытном заводе монокристаллов (г. Харьков).

Литература
1. Красовицкий Б. М. Болотин Б.М. Органические люминофоры. М. Химия, 1984.

2. Каталог "Химические реактивы и высокочистые химические вещества." - М. Химия, 1983.

3. Патент Великобритании N 1092788, кл. СО9К, С4, 1976.

4. Воеводский А. В. Дадыкин В.Л. Ряжская О.Г. Жидкие сцинтилляторы для больших счетчиков. В.кн. Монокристаллы, сцинтилляторы и органические люминофоры. Харьков: ВНИИ монокристаллов, 1969, вып.5, ч. 1.

5. Авт.св. СССР N 172331, кл. C 07 d; 12р, 3, 1965 (прототип).

6. ТУ 38.201449-85.

7. Авт.св. СССР N 239344, кл. C 07 d; 22f, 1969.

Использование: для больших сцинтилляционных счетчиков, в частности для регистрации космических излучений. Сущность изобретения: предложен состав жидкого сцинтиллятора, содержащий, мас.%: жидкие парафины с температурой кипения 232-334^oC, равной 79,5 - 94,5; добавку ароматического углеводорода - нафталин или α - метилнафталин, или ксилол, или смесь нафталина с ксилолом 5 - 20; активатор 2-фенил-5-/4-бифенил/-оксазол или 1,3,5-трифенил-2-пиразолин, или 2,5-дифенилоксазол 0,4 - 0,6. 1 табл.

Жидкий сцинтиллятор на основе нефтяных углеводородов, содержащий добавку ароматического углеводорода и активатор, отличающийся тем, что в качестве основы сцинтиллятор содержит жидкие парафины с температурой кипения 232 - 334^oС, в качестве активатора 2-фенил-5-(4- бифенилил)оксазол, или 1,3,5-трифенил-2-пиразолин, или 2,5- дифенилоксазол, а в качестве ароматического углеводорода нафталин, или его альфа-метильное производное, или ксилол при следующем соотношении компонентов, мас.

Жидкие парафины 79,5 94,5
Активатор 0,4 0,6
Ароматический углеводород 5 20ю