Теллурсодержащий жидкий сцинтиллятор Российский патент 2023 года по МПК G01T1/204 

Область техники

Изобретение относится к сцинтилляционной технике. Его предметом является жидкий теллурсодержащий сцинтиллятор, который может быть использован в крупномасштабных детекторах для поиска и исследования двойного безнейтринного бета-распада.

Природа массы нейтрино, дираковская или майорановская, является одним из ключевых вопросов современной физики, так как нейтрино, в отличие от других фермионов, может быть собственной античастицей [1. S.M. Bilenky and S.T. Petcov, Rev. Mod. Phys. 59, 671 (1987)]. Практическим способом ее исследования является поиск безнейтринного двойного бета-распада (0νββ), в ходе которого испускаются два электрона, а нейтрино аннигилируют друг с другом, вероятно, нарушая при этом, закон сохранения лептонного числа. Наиболее перспективными [2. Dell'Oro S, Marcocci S, Viel M, Vissani F. Neutrinoless double beta decay: 2015 review. Adv High Energy Phys. (2016) 2016:37] для наблюдения этого редкого процесса является ряд изотопов: ⁴⁸Са, ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ⁹⁶Zr, ¹⁰⁰Мо, ¹¹⁶Cd, ¹³⁰Те, ¹³⁶Хе, ¹⁵⁰Nd.

Одним из наиболее вероятных кандидатов на обнаружение 0νββ является ¹³⁰Те. Это связано с некоторыми его особенностями:

- высоким содержанием в естественной смеси изотопов - 34%;

- наибольшим периодом 2νββ полураспада (8.2×10²⁰ лет) среди всех изотопов, кандидатов на обнаружение этого процесса.

Перспективными материалами в качестве основы детекторов для поиска 0νββ-распада являются жидкие сцинтилляторы (ЖС). Они позволяют обеспечить сверхнизкий радиационный фон и возможность создания установок любой формы и объема, а также, сочетая в себе свойства источника и детектора, обеспечивают, путем направленной модификации состава, высокое содержание ядер двойного β-распадчика.

Именно поэтому теллурсодержащие жидкие сцинтилляторы представляют интерес для разработки крупномасштабных детекторов по поиску и исследованию двойного безнейтринного бета-распада.

Уровень техники

В работах [3. S. Biller, S. Manecki, A New Technique to Load 130Те in Liquid Scintillator for Neutrinoless Double Beta Decay Experiments, Journal of Physics: Conference Series. 888, (2017), 12084, 4. T. Kroupova, Water phase results and 0νββ prospects of the SNO+ experiment, in: Proceedings of European Physical Society Conference on High Energy Physics - PoS(EPS-НЕР2019), Sissa Medialab, Trieste, Italy, (2020)] описан жидкий теллурсодержащий сцинтиллятор на основе линейного алкилбензола с добавкой 2,5-дифенилоксазола (2 г/л или 6 г/л) с содержанием теллура 0,5 – 10 мас.%. В качестве теллуросодержащей добавки используется продукт взаимодействия теллуровой кислоты с 1,2-бутандиолом, который представляет собой жидкую смесь мономерных и димерных соединений (фиг. 1). Для увеличения световыхода сцинтиллятора и повышения устойчивости теллурсодержащей добавки к гидролизу используется N,N-диметилдодециламин. Описаны образцы [4. Т. Kroupova, Water phase results and 0νββ prospects of the SNO+ experiment, in: Proceedings of European Physical Society Conference on High Energy Physics - PoS(EPS-HEP2019), Sissa Medialab, Trieste, Italy, (2020)], отличающиеся различным порядком добавления N,N-диметилдодециламина (порядок А и Б). Световыход образцов с массовой долей теллура 1% относительно жидкого сцинтиллятора на основе линейного алкилбензола (содержание РРО - 2 г/л), не содержащего теллур, составляет: образец 1 (содержание РРО - 2 г/л, не содержит N,N-диметилдодециламин) ~ 0,38; образец 2 (содержание РРО - 2 г/л, порядок А) ~ 0,61; образец 3 (содержание РРО - 6 г/л, порядок Б) ~ 0,65. У сцинтиллятора недостаточно высокий световыход, а необходимость использования N,N-диметилдодециламина увеличивает стоимость сцинтиллятора и уменьшает его доступность.

Известен теллурсодержащий жидкий сцинтиллятор [5. Патент CN №112608263 (В), оп. 2022-05-27. G01T 1/20] на основе линейного алкилбензола с содержанием теллура 0,4 -0,6 мас.%. В качестве сцинтилляционной добавки используют 2,5-дифенилоксазол или 2-(4'-трет-бутилбензол)-5-(4''-бифенил)-1,3,4-оксадиазол (1-5 г/л), вторичной сцинтилляционной добавкой является 1,4-бис[2-метилстирил]бензол или 1,4-бис[2-(5-фенилоксазолил)]бензол (1-15 мг/л). В качестве теллурсодержащих добавок используются продукты взаимодействия теллуровой кислоты с различными диолами (например, бутандиолом-1,2, пентандиолом-1,2, гександиолом-1,2, бутандиолом-2,3, циклогександиолом-2,3 и другими) и третичными аминами жирного ряда с мольным соотношением компонентов 1:2,5 - 3,5:0,2-1,1, соответственно. Лучшими сцинтилляционными и оптическими характеристиками обладает образец следующего состава: 2,5 г/л РРО, 3 мг/л 1,4-бис[2-метилстирил]бензола, 0,5% теллура в форме продукта реакции теллуровой кислоты, 1,2-бутандиола и N,N-диметилдодециламина (мольное соотношение: 1:3:0,4, соответственно). Световыход этого сцинтиллятора составляет 67% относительно жидкого сцинтиллятора того же состава, не содержащего теллур. Недостатком патента является низкое содержание теллура в сцинтилляторе, а также необходимость использования аминов для повышения устойчивости и растворимости получаемых теллурсодержащих добавок, что приводит к удорожанию жидкого сцинтиллятора и уменьшению его доступности.

Известен жидкий теллурсодержащий сцинтиллятор [6. I.A. Suslov, I.B. Nemchenok, et al., Development of a new tellurium loaded liquid scintillator based on linear alkylbenzene, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1040, (2022)] на основе линейного алкилбензола или его смесей с 30%-ным по массе содержанием производных нафталина: диизопропилнафталина (смесь изомеров) или 2,6-диизопропилнафталина или 1-метилнафталина. В качестве сцинтилляционных добавок использованы РРО и РОРОР. Показано, что их оптимальные концентрации составляют 2%_масс, и 0,04 мас.%, соответственно. Теллурсодержащие добавки - дикарбоксилаты дифенилтеллура: ди-2-этилгексаноат или диизовалерат или дипивалоат (фиг. 2), полученные путем многостадийного синтеза из элементарного теллура. На фиг. 3 представлен световыход образцов сцинтиллятора, содержащих 1 мас.% Те и 0,5 мас.% Те и сцинтилляционные добавки в оптимальных концентрациях, измеренный относительно сцинтиллятора на основе линейного алкилбензола, не содержащего теллур. Применение сцинтиллятора для крупномасштабных детекторов может быть осложнено многостадийностью получения теллурсодержащих добавок.

В качестве прототипа выбран последний из аналогов.

Целью изобретения является разработка теллурсодержащего жидкого сцинтиллятора с высокой концентрацией теллура, пригодного для использования в крупномасштабных экспериментах по поиску двойного безнейтринного бета-распада, а значит, имеющего высокий световыход, доступного и безопасного в использовании.

Сущность изобретения:

В качестве основы сцинтиллятора предлагается использовать линейный алкилбензол или его смеси с диизопропилнафталином (смесь изомеров). Как линейный алкилбензол [7. The SNO+ collaboration et al. 2021 JINST 16 P08059. 8. J.S. Park, et al., Production and optical properties of Gd-loaded liquid scintillator for the RENO neutrino detector, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 707 (2013). 9. W. Beriguete, et al., Production of a gadolinium-loaded liquid scintillator for the Daya Bay reactor neutrino experiment, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 763 (2014) 82-88. 10. C. Buck et al., 2019 JINST 14 P01027. 11. Патент РФ №2424536, оп. 20.07.11. G01T 1/204], так и диизопропилнафталин, на основе которого существуют несколько коммерческих сцинтилляторов (Ultima Gold фирмы PerkinElmer [12. perkinelmer.com], EJ-309 фирмы EljenTechnology [13. eljentechnology.com]), хорошо зарекомендовали себя в сцинтилляционной технике, они обеспечивают высокий световыход сцинтилляторов, доступны и, имея высокую температуру вспышки, безопасны в работе [14. The SNO+collaboration et al 2021 JINST 16 Р05009].

В качестве сцинтилляционной добавки и вторичной сцинтилляционной добавки предлагается использовать 2,5-дифенилоксазол (РРО) и 1,4-бис(5-фенилоксазол-2-ил)бензол (РОРОР), соответственно.

Характерным отличием от прототипа является теллурсодержащая добавка, которая представляет собой комплексное соединение оксида дифенилтеллура (1) с ди-(2-этилгексил)фосфорной кислотой (2) (фиг. 4) состава 1:1. Используемая теллурсодержащая добавка проста в получении, имеет высокую растворимость в линейном алкилбензоле и его смесях с диизопропилнафталином, не поглощает в видимой области спектра, обладает устойчивостью к действию кислорода воздуха и атмосферной влаге, не подвержена гидролизу и обеспечивает, наряду с диизопропилнафталином, оптимальный световыход предлагаемого сцинтиллятора (фиг. 5, 6).

Технический результат - разработан и исследован теллурсодержащий жидкий сцинтиллятор с высоким содержанием теллура до 1,25 мас.%, отвечающий требованиям, предъявляемым к жидким сцинтилляторам для крупномасштабных экспериментов, обладающий на ~30% большим световыходом по сравнению с выбранным прототипом и высокой прозрачностью (фиг. 7). Этот результат достигается использованием, как предложенной теллурсодержащей добавки, так и диизопропилнафталина в качестве компонента основы сцинтиллятора. Применение более простой в получении теллурсодержащей добавки обеспечивает доступность предлагаемого сцинтиллятора для создания крупномасштабных детекторов по поиску двойного безнейтринного бета-распада.

Для синтеза теллурсодержащей добавки использовали элементарный теллур (99,999%, Химкрафт), сульфурил хлорид (98%, Acros Organic), гексан (96%, Multisolvent® HPLC grade ACS UV-VIS, Sharlau), толуол (99%, ЭКОС-1), тетрафенилолово (95%, ABCR), ацетонитрил (HPLC, Fisher Chemical), петролейный эфир 40-60°C (extra pure, Acros Organic), гидроксид натрия (99%, Ленреактив), ди-2-этилгексилфосфорную кислоту (95%, TCI Europe), Al₂O₃ (97%, Ленреактив). Продукт получали взаимодействием оксида дифенилтеллура с ди-2-этилгексилфосфорной кислотой в соотношении 1:1 в гексане с последующей перекристаллизацией из этого же растворителя. Чистота полученного соединения подтверждена элементным анализом.

Сцинтилляционная добавка и вторичная сцинтилляционная добавка - 2,5-дифенилоксазол (РРО, 99,9%) и 1,4-бис(5-фенилоксазол-2-ил)бензол (РОРОР, 99,9%), соответственно. В качестве компонентов основы сцинтиллятора использованы линейный алкилбензол (ООО «КИНЕФ»), очищенный перемешиванием с древесным углем (ОУ-А) при соотношении 30:100 и последующей фильтрацией, и диизопропилнафталин (extra pure, mixed isomers, Acros Organics), очищенный на абсорбционной колонке, заполненной свежепрокаленной окисью алюминия. Теллурсодержащий жидкий сцинтиллятор готовили растворением сцинтилляционных и теллурсодержащей добавок в линейном алкилбензоле или его смеси с диизопропилнафталином при постоянном перемешивании и температуре 50°С. После охлаждения до комнатной температуры раствор отфильтровывали через бумажный фильтр. Полученные образцы хранили в плотно закрытых емкостях, без доступа света.

Образцы теллурсодержащих жидких сцинтилляторов исследовали на световыход и прозрачность известными методами.

Спектры пропускания в видимой области образцов ЖС измерены при помощи спектрофотометра UNICO UV 2804 в 10 сантиметровой кювете относительно воздуха при длине волны от 390 до 600 нм.

Световыход образцов сцинтиллятора измеряли на сцинтилляционном спектрометре относительно сцинтиллятора на основе линейного алкилбензола, содержащего 0,05 мас.%. РРО и 0,0025 мас.%. РОРОР. Для этого образец жидкого сцинтиллятора помещали в тефлоновую кювету высотой 50 мм и диаметром 50 мм с выходным окном из увиолевого стекла, прозрачного в ближней УФ и видимой области спектра. Объем исследуемого образца составлял 40 мл. Кювету соединяли с фотоэлектронным умножителем R6091 (HAMAMATSU) при помощи оптической смазки (ВС-630 optical grease, Saint-Gobain crystals). В качестве радиоактивного источника использовали ²⁰⁷Bi (2,5 кБк). Применяли методику разностных измерений. Первое измерение осуществлялось прямым облучением измеряемого образца жидкого сцинтиллятора в кювете (получали γ+β-спектр). Во втором измерении между источником и исследуемым образцом помещали тефлоновую пластину толщиной 3 мм (получали γ-спектр). Геометрия и время обоих измерений были одинаковыми. Для определения световыхода анализировали Р-спектр, полученный вычитанием γ-спектра из γ+β-спектра.

Описание фигур

Фиг. 1. Структурные формулы компонентов теллуросодержащей добавки [4. Т. Kroupova, Water phase results and OvPP prospects of the SNO+experiment, in: Proceedings of European Physical Society Conference on High Energy Physics - PoS(EPS-HEP2019), Sissa Medialab, Trieste, Italy, (2020)].

Фиг. 2. Структурная формула дикарбоксилатов дифенилтеллура.

Фиг. 3. Световыход образцов жидкого теллурсодержащего сцинтиллятора [6. I.A. Suslov, I.B. Nemchenok, et al., Development of a new tellurium loaded liquid scintillator based on linear alkylbenzene, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1040, (2022)].

Фиг 4. Структурные формулы: 1) оксид дифенилтеллура, 2) ди-(2-этилгексил)фосфорная кислота.

Фиг. 5. Световыход образцов предлагаемого жидкого теллурсодержащего сцинтиллятора с оптимальным содержанием сцинтилляционных добавок.

Фиг. 6. Зависимость световыхода Те-ЖС на основе линейного алкилбензола с содержанием РРО, РОРОР (0,5%, 0,0025%, соответственно) от концентрации теллура.

Фиг. 7. Спектры пропускания некоторых образцов ЖС на основе линейного алкилбензола, измеренные относительно воздуха. Длина оптического пути - 10 см. Нумерация образцов соответствует нумерации из таблицы фиг. 5.

Изобретение относится к сцинтилляционной технике. Теллурсодержащий жидкий сцинтиллятор на основе линейного алкилбензола в смеси с диизопропилнафталином содержит сцинтилляционную добавку - 2,5-дифенилоксазол, вторичную сцинтилляционную добавку - 1,4-бис(5-фенилоксазол-2-ил)бензол, при этом в качестве теллурсодержащей добавки содержит комплексное соединение оксида дифенилтеллура и ди-(2-этилгексил)фосфорной кислоты при следующем содержании компонентов, мас.%: линейный алкилбензол - 34,7-98,3, диизопропилнафталин - 0-60, РРО - 0,5, РОРОР - 0,0025, теллурсодержащая добавка - 1,2-6, соответствующая содержанию теллура в сцинтилляторе 0,25-1,25. Технический результат – повышение световыхода сцинтиллятора. 7 ил.

Теллурсодержащий жидкий сцинтиллятор на основе линейного алкилбензола в смеси с диизопропилнафталином, содержащий сцинтилляционную добавку - 2,5-дифенилоксазол, вторичную сцинтилляционную добавку - 1,4-бис(5-фенилоксазол-2-ил)бензол, отличающийся тем, что в качестве теллурсодержащей добавки содержит комплексное соединение оксида дифенилтеллура и ди-(2-этилгексил)фосфорной кислоты при следующем содержании компонентов, мас.%: линейный алкилбензол - 34,7-98,3, диизопропилнафталин - 0-60, РРО - 0,5, РОРОР - 0,0025, теллурсодержащая добавка - 1,2-6, соответствующая содержанию теллура в сцинтилляторе 0,25-1,25.