СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОЧНОГО СЦИНТИЛЛЯТОРА Российский патент 2024 года по МПК G01T1/28 

Изобретение относится к области ядерной физики, в частности к области технологий для лучевой терапии социально значимых заболеваний пучками протонов и ионов, и может быть использовано при изготовлении модуля контроля вывода пучка протонов из ускорителя.

Контроль вывода пучка протонов осуществляется с помощью светового сигнала, который возникает при взаимодействии пучка протонов и пленочного сцинтиллятора. Важными характеристиками данного способа контроля вывода пучка протонов является интенсивность возникающего светового сигнала, которая определяет чувствительность сцинтиллятора, а именно, какое минимальное количество протонов в пучке можно детектировать, и толщина сцинтиллятора, которая влияет на рассеяние и замедление пучка протонов. Поскольку процессы рассеяния и замедления пучка протонов являются нежелательными в данной области их применения, главными характеристиками разрабатываемого сцинтиллятора должны стать высокая интенсивность сигнала свечения (достаточная для обеспечения регистрации пучков протонов с интенсивностью менее 10⁶ протонов/с) при минимальной возможной толщине.

Известен способ получения пленочного сцинтиллятора для регистрации бета- и фотонного излучения, включающий распределение в растворе поликарбоната двухкомпонентной смеси люминофоров (порошкообразных кристаллических ортосиликатогерманата иттрия, гадолиния, лютеция и церия и ортоалюмината иттрия, гадолиния, церия), литье полученного раствора на подвижную металлическую подложку при скорости ее передвижения до 5 м/ч и последующую сушку полученной ленты ИК излучением в течение 1 часа (см. RU 2388017 С1, МПК G01T 1/20, опубл. 27.04.2010 [1]).

Основным недостатком известного способа является его существенная трудоемкость. Кроме этого, известный способ может быть применен только для получения пленочного сцинтиллятора, пригодного для регистрации излучения в достаточно узком диапазоне. В частности, сцинтиллятор, полученный известным способом, не пригоден для регистрации протонного и ионного излучения налетающих частиц промежуточного (30-330 МэВ) энергетического диапазона.

Известен другой способ получения пленочного сцинтиллятора, включающий приготовление смеси, содержащей оксисульфат гадолиния, активированный тербием (Gd₂O₂S:Tb), и связующее, состоящее из тексанола и эпоксидной смолы в соотношении 9:1, перемешивание полученной смеси, нанесение полученной смеси на стеклянную основу с образованием сцинтиллирующего слоя толщиной 60 мкм и последующую сушку основы с образованным сцинтиллирующим слоем при температуре 120°С в течение 30 мин (см. Во Kyung Cha, Jong Yul Kim, Tae Joo Kim et al. Fabrication and imaging characterization of high sensitive CsI(T1) and Gd₂O₂S(Tb) scintillator screens for X-ray imaging detectors, Radiation Measurements, 45(2010), pp. 742-745 [2]).

Известный из [2] способ принят в качестве ближайшего аналога к заявленному способу.

Основным недостатком известного способа является значительная толщина полученного сцинтиллятора, обусловленная необходимостью использования основы большой толщины в результате невозможности нанесения сцинтиллирующего слоя на тонкую пленку. Поэтому в медицинских ускорителях протонов сегодня используются пленочные органические пластиковые сцинтилляторы на основе SC₃0₇ (см., например, В.В. Устинов, Е.В. Сухов, СВ. Афанасьев, Д.Г. Сакулин. Изучение радиационной стойкости органических пластических сцинтилляторов, Ученые записки физического факультета Московского Университета, 6 (2019), стр. 1-8 [3]) или коммерчески доступные EJ-214 (см. ELJEN Technology, 1300 W. Broadway, Sweetwater, ТХ 79556, https://elientechnology.com/products/plastic-scintillators/ej-214 [4]). Толщина данных пленочных сцинтилляторов находится в диапазоне 25-30 мкм. Однако данные пленочные сцинтилляторы имеют недостаток, который состоит в наличии остаточного свечения сцинтиллятора при его взаимодействии с пучком протонов промежуточного (30-330 МэВ) энергетического диапазона, которое может длиться более 100 мс, а также его недостаточной чувствительности, вызванной малой интенсивностью светового сигнала, что является недопустимым для прецизионных измерений, в частности, измерений малых (<10⁶ протонов/с) интенсивностей пучков протонов. Остаточное свечение вносит дополнительную ошибку в измерения интенсивностей протонных пучков, занижая показания до 2%.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании способа получения пленочного сцинтиллятора, лишенного указанных недостатков.

При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении высокой интенсивности светового сигнала, как следствие обеспечения чувствительности, достаточной для детектирования пучков протонов с интенсивностями менее 10⁶ протонов/с, при незначительном рассеянии проходящего пучка протонов и его замедлении (менее 1% от первоначальной энергии пучка), обусловленными малой толщиной полученного сцинтиллятора, и отсутствия остаточного свечения.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания способа получения пленочного сцинтиллятора, включающего приготовление смеси, содержащей оксисульфат гадолиния, активированный тербием, и связующее, содержащее эпоксидную смолу, перемешивание полученной смеси, нанесение полученной смеси на основу с образованием сцинтиллирующего слоя и сушку упомянутой основы с образованным сцинтиллирующим слоем. Сначала получают смесь эпоксидной смолы и полиуретана в соотношении 1:1, затем в 0,6 г полученной смеси добавляют фенилметан в количестве 1200 мкл и перемешивают полученную смесь в течение 30 мин, а затем в полученную смесь добавляют порошок оксисульфата гадолиния, активированного тербием, в количестве 1000 мг и перемешивают полученную смесь в течение 30 минут, затем полученную смесь в количестве 1000 мкл наносят на основу, представляющую собой пленку из полимерного материала толщиной 10 мкм с образованием сцинтиллирующего слоя толщиной 5-20 мкм, а затем основу с образованным сцинтиллирующим слоем подвергают центрифугированию при 2000 об/мин и сушке при нормальных лабораторных условиях в течение 2 часов.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 показано окно программы контроля вывода пучка протонов с отображением интенсивности сигнала свечения образца пленочного сцинтиллятора EJ-214, полученного традиционным способом (красная линия), при прохождении через него пучка протонов с энергией 100 МэВ и длительностью импульса 500 мс, на комплексе протонной терапии (далее - КПТ) «Прометеус».

На фиг. 2 показано окно программы контроля вывода пучка протонов с отображением интенсивности сигнала свечения образца пленочного сцинтиллятора, полученного заявленным способом (красная линия) при прохождении через него пучка протонов с энергией 100 МэВ и длительностью импульса 500 мс, на КПТ «Прометеус».

Под «свечением» в рамках настоящей заявки следует понимать испускание фотонов в диапазоне работы стандартного фотоэлектронного умножителя Hamamatsu R6094 (см. https://www.hamamatsu.com/us/eb/product/optical-sensorrs/pmt/pmt_tube-alone/head/-on-type/R6094.html [5]) и соответствующей электроники КПТ «Прометеус», т.е. диапазоне длин волн 300-650 нм, при взаимодействии образца пленочного сцинтиллятора и пучка протонов.

Заявленный способ реализуют посредством выполнения следующей последовательности этапов.

1. Получают смесь эпоксидной смолы и полиуретана в соотношении 1:1, например, используя готовую смесь (в частности, однокомпонентный клей на основе эпоксидной смолы).

2. В 0,6 г полученной на этапе №1 смеси добавляют фенилметан в количестве 1200 мкл. Для этого 0,6 г полученной смеси помешают в предварительно подготовленную виалу, куда затем при помощи одноканальной пипетки помещают 1200 мл фенилметана.

2. Помещают в виалу с полученной на этапе №2 смесью магнитный мешатель, а саму виалу располагают на магнитной мешалке. Перемешивают полученную смесь в течение 30 мин.

3. Добавляют в полученную смесь порошок Gd₂O₂S:Tb в количестве 1000 мг.

4. Перемешивают полученную на этапе №3 смесь в течение 30 минут.

5. Отрезают от рулона пленки из полимерного материала (например, изготовленной по ГОСТ 24234-80 [6]) толщиной 10 мкм фрагмент пленки длиной 65 мм.

6. Отрезанный фрагмент пленки закрепляют на держателе для прецизионной центрифуги и наносят на него при помощи одноканальной пипетки полученную смесь в количестве 1000 мкл с образованием сцинтиллирующего слоя толщиной 5-20 мкм. Образование слоя менее 5 мкм приводит к его неоднородности, образование слоя более 20 мкм нецелесообразно из-за значительного рассеяния пучка протонов.

8. Задают на прецизионной центрифуге программу со скоростью вращения 2000 об/мин. Включают центрифугу и выполняют заданную программу.

9. Извлекают из держателя основу с образованным сцинтиллирующим слоем и просушивают ее при нормальных лабораторных условиях в течение 2 часов.

Возможность реализации заявленного способа подтверждена следующим экспериментом, принятым в качестве примера.

Проводилось облучение образцов: коммерчески доступного пленочного сцинтиллятора EJ-214 и пленочного сцинтиллятора, полученного заявленным способом, при фиксированном количестве протонов.

В качестве контрольных параметров измерялись значения поперечных размеров пучка σ_х и σ_у на выходе из канала вывода КПТ «Прометеус» и обратного коэффициента чувствительности (отношения количества протонов к интегралу интенсивности сигнала свечения за время прохождения пучка протонов через пленочный сцинтиллятор).

Очевидно, что чем меньше значение обратного коэффициента чувствительности, тем больший поток фотонов рождается при взаимодействии одинакового количества протонов промежуточного энергетического диапазона с образцом пленочного сцинтиллятора.

Измерение значений поперечных размеров пучка протонов было необходимо для качественной и количественной оценки дополнительного рассеяния пучка протонов на образцах.

В таблице 1 приведены результаты облучения пучком протонов коммерчески доступного пленочного сцинтиллятора EJ-214.

В таблице 2 приведены результаты облучения фрагмента пленки с нанесенным сцинтиллирующим слоем толщиной 17 мкм.

Из полученных данных (см. фиг. 1 и фиг. 2) также видно, что после прохождения образца пленочного сцинтиллятора, полученного заявленным способом, не возникает остаточного свечения. Сигнал на фиг. 1 более шумный, что свидетельствует о слабой интенсивности свечения при прохождении пучка протонов с указанными параметрами (энергия 100 МэВ и длительность импульса 500 мс).

Изобретение относится к области ядерной физики. Способ получения пленочного сцинтиллятора дополнительно содержит этапы, на которых получают смесь эпоксидной смолы и полиуретана в соотношении 1:1, затем в 0,6 г полученной смеси добавляют фенилметан в количестве 1200 мкл и перемешивают полученную смесь в течение 30 мин, а затем в полученную смесь добавляют порошок оксисульфата гадолиния, активированного тербием, в количестве 1000 мг и перемешивают полученную смесь в течение 30 минут, затем полученную смесь в количестве 1000 мкл наносят на основу, представляющую собой пленку из полимерного материала толщиной 10 мкм, с образованием сцинтиллирующего слоя толщиной 5-20 мкм, а затем основу с образованным сцинтиллирующим слоем подвергают центрифугированию при 2000 об/мин и сушке при нормальных лабораторных условиях в течение 2 часов. Технический результат – повышение интенсивности светового сигнала, повышение чувствительности детектирования пучков протонов. 2 ил., 2 табл.

Способ получения пленочного сцинтиллятора, включающий приготовление смеси, содержащей оксисульфат гадолиния, активированный тербием, и связующее, содержащее эпоксидную смолу, перемешивание полученной смеси, нанесение полученной смеси на основу с образованием сцинтиллирующего слоя и сушку упомянутой основы с образованным сцинтиллирующим слоем, отличающийся тем, что сначала получают смесь эпоксидной смолы и полиуретана в соотношении 1:1, затем в 0,6 г полученной смеси добавляют фенилметан в количестве 1200 мкл и перемешивают полученную смесь в течение 30 мин, а затем в полученную смесь добавляют порошок оксисульфата гадолиния, активированного тербием, в количестве 1000 мг и перемешивают полученную смесь в течение 30 минут, затем полученную смесь в количестве 1000 мкл наносят на основу, представляющую собой пленку из полимерного материала толщиной 10 мкм, с образованием сцинтиллирующего слоя толщиной 5-20 мкм, а затем основу с образованным сцинтиллирующим слоем подвергают центрифугированию при 2000 об/мин и сушке при нормальных лабораторных условиях в течение 2 часов.