Пластмассовый сцинтиллятор Советский патент 1993 года по МПК G01T1/203 

ния частицы в сцинтиллятор и возможность работы в условиях больших загрузок.

Основной характеристикой быстродействующих пластмассовых сцинтилляторов является время высвечивания. Длительность сцинтилляционного импульса (время высвечивания) определяется временем переноса энергии электронного возбуждения от полимерной основы к излучающей добавке и временем жизни возбужденного состояния Молекул этой добавки.

В ряде ядерно-физических задач необходимо, чтобы сцинтилляционный импульс пластмассового сцинтиллятора обладал минимально возможной длительностью. В других задачах наряду с малой длительностью импульса требуется и как можно более высокий световой сигнал, т.е. возникает требование максимально большой добротности сцинтилляционного импульса, величины равной отношению светового выхода сцинтиллятора к длительности его светового выхода. Известен пластмассовый сцинтиллятор NE-III, представляющий собой твердый раствор 2-(4-бифенилил)-5-фени- локсадиазола-1,3,4 (концентрация 40 г/л) в гтоливинилтолуоле. Время высвечивания этого сцинтиллятора 1,66 не, световыход составляет 0,46 условных единиц светового выхода (уесв).

Описан отечественный быстродействующий пластмассовый сцинтиллятор, состоящий из полимерной основы - полистирола -, смеси люминесцирующих добавок: п-терфе- нил (3-4 мае.) или 2,5-дифенилоксазол (4-7 мас.%) и утяжеляющей добавки - 4 ,45 -дибром-21 ,5 ,25,55-тетраметил-п-квинкви- фенила (2,5 мас.%). Световой выход этого сцинтиллятора 0,23-0,25 уесв, длительность сцинтилляционного импульса 0,74-0,84 не.

К недостаткам описанных быстродействующих пластмассовых сцинтилляторов (ПС) следует отнести длительное время высвечивания: 0,74-0,84 не у отечественного пластмассового сцинтиллятора и 1,66 не у зарубежного NE-ltl. Современный уровень техники требует сцинтилляторы с временем высвечивания менее 1 не и с высоким световым выходом. Спектральные характеристики в указанных составах ПС лежат в коротковолновой области спектра (цо 400 нм). Область же максимальной чувствительности современных обычно применяемых фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) лежит далее 400 нм. В связи с этим чрезвычайно важно, чтобы максимум люминесценции вводимых люминесцирующих добавок лежал в видимой области ( 400 нм), в области максимальной чувствительности ФЭУ.

К недостаткам известного отечественного ПС следует отнести также и сложную технологию его получения, включающую использование двух люминесцирующих доба- вок, причем в весьма значительных количествах от 40 до 70 г/л (4-7 мас.%) - первичная люминесцирующая добавка и от 20 до 50 г/л (2-5 мас.%) - утяжеляющая люминесцирующая добавка. Это приводит

к повышению стоимости пластмассового

сцинтиллятора. Эффект быстродействия в этих пластмассовых сцинтилляторах достигается именно за счет увеличения концентрации люминесцирующих добавок в полимерной основе.

Кроме того, необходимо отметить, что используемая в известном составе пластмассового сцинтиллятора утяжеляющая люминесцирующая добавка - 41 ,5-дибром- 2 , .4 ,2°,5 -тетраметил-п-квинквифенил - в технологическом отношении очень сложна в изготовлении, промышленностью не выпускается, что делает сам ПС мало доступным, И, наконец, одним из недостатков ПС известного состава является невысокий световыход (0,28-0,26 уесв), что ограничивает возможности его применения в сцинтилля- ционных детекторах.

Описан отечественный быстродейству- ющий пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола, содержащий п-терфенил (4 мас.%) или 2,5-дифенилоксадиазол (3 мас,%), в качестве вторичной люминесциру- ющей добавки -21,5 ,2 ,5П-тетраметил-п-гекса- фенил (0,8 мас.%). Максимум люминесценции такой композиции 393 нм, длительность сцинтилляционного импульса т- 1,1 не, световой выход составляет 0,31 уесв.

Недостатки этого сцинтиллятора следу- ющие.

Максимум люминесценции ПС лежит в короткой (УФ) области спектра, 393 нм,

Относительно большая длительность сцинтилляционного импульса, 1,1 не. Невысокий световой выход, 0,31 уесв.

Наличие первичной люминесцирующей добавки и смесителя спектра в значительных количествах усложняет состав пластмассового сцинтиллятора, Использование экзотической, малодоступной в технологическом плане люминесцирующей добавки - 21 ,5 ,2А,54- тетраме- тил-п-гексафенила, - не только приводит к повышению стоимости ПСС, но делает не- возможным его промышленный выпуск.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение длительности сцинтилляционного импульса и повышение светового выхода.

Поставленная цель достигается тем, что пластмассовый сцинтиллятор, включающий замещенную полистирольную основу и лю- минесцирующую добавку, согласно изобретению, в качестве основы содержит поли-2,4-ди- метил стирол, в качестве люминесцирующей добавки 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бен- эол при соотношении компонентов, мас.%:

1,4-Бис(5-фенилоксазолил-2)бензол1,8-2,0

Поли-2,4-диметилстиролдо 100,0

Данная люминесцирующая добавка обычно применяется в качестве смесителя спектра в жидких и пластмассовых сцинтил- ляторахс концентрацией0,1-0,5мас.%. Как первичная люминесцирующая с концентрацией 1.8-2,0 мас.% ранее в ПС никогда не использовалась.

Взаимосвязь люминесцентных характе- ристик добавки ( А макс излучения в толуоле 420 нм, квантовый выход флюоресценции 0,70) и основы - поли-2,4-диметилстирола, - обладающих своими специфическими особенностями, проявляющимися в конкретном твердом растворе ПС при определенном массовом соотношении, дает неожиданный результат.

Заявленный ПС обладает одновременно не только улучшенными временными ха- рактеристиками, но и более высоким световым выходом.

Заявленный состав ПС имеет длительность сцинтилляционного импульса Т 0,6- -0,63 не, световой выход 0.55-0,57 уесв.

Процесс получения коротких времен высвечивания и одновременно высокого светового выхода заявляемого состава пластмассового сцинтиллятора определяется не свойствами молекул полимерной основы

-поли-2,4-диметилстирола - и люминесцирующей добавки - 1,4-бис(5-фенилоксаго- лил-2)бензола - в отдельности, а особенностями самой сцинтилляционной композиции, в которой люминесцирующая добавка

-1,4-бис(5-фенилоксазолил-2) бензол - выполняет одновременно функцию первичной и вторичной добавки.

Такой неочевидный результат достигнут на основании ряда проведенных зкспери- ментов с варьируемой концентрацией люминесцирующей добавки, а также поиска полимерной добавки и полимерной основы.

Малая длительность сцинтилляционно- го импульса в созданной композиции достигается за счет быстрого переноса энергии электронного возбуждения от полимерной основы (поли-2,4-диметилстирола) к люминесцирующей добавке, излучающей свет, и малой длительности возбужденного состояния этой добавки, составляющей около 1 не.

Пластмассовый сцинтиллятор заявляемого состава можно получать в виде пленок и блоков с помощью любого Известного способа: термической полимеризацией, прессованием, экструзионным методом, методом испарения растворителя.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.В ампулу из термостойкого стекла загружают 1,5 мас.% 1,4-бис(5-фени- локсазолил-2)бензола и заливают 98,5 мас.% свежеперегнанного 2,4-диметилсти- рола. Содержимое ампулы продувают азотом в течение 5 мин и запаивают. Затем ампулу помещают в термостат при 150°С. Температуру быстро поднимают до 160°С и выдерживают при этой температуре 72 ч. Для снятия напряжений, развивающихся в блоке, проводят отжиг по 2°С в час до 80°С. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры самопроизвольное. Ампулы разбивают и полученные образцы помещают для охлаждения. Затем образцы подвергают технической обработке - шлифовке и полировке. Выходные данные полученного образца: максимум излучения 420 нм; 025 мм и h 12 мм; относительный световой выход 0,49 уесв; длительность сцинтилляционного импульса 0.90 не.

Пример 2. В ампулу из термостойкого стекла загружают 1,8 мас.% 1,4-бис(5-фени- локсазолил)бензола и заливают 98,2 мас.% свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Далее процесс осуществляют, как в примере 1. Выходные данные полученного образца: 0 25 мм и h - 12 мм; максимум излучения 420 нм; относительный световой выход 0,55 усев; длительность сцинтилляционного импульса 0,68 не.

Остальные примеры приведены втаблице.

В таблице приведено сравнение временных и сцинтилляционных характеристик заявляемого ПС, прототипа и известного состава (аналога). Как видно из таблицы, сцинтиллятор заявляемого состава имеет время высвечивания 0,6-0,63 не, т.е. примерно в 3 раза меньшее, чем у известного состава NT- Ill (ср.поз. 1. 3, 4 и 8) и примерно в 1,4 раза меньшее, чем у прототипа (ср.поз. 2, 3, 4 и 7). Световой выход такой композиции примерно в 2 раза выше, чем у прототипа, и в 1,2 раза выше, чем у известного состава NE-IH.

Получение более коротких времен высвечивания с увеличением концентрации вещества, вводимого в качестве люминесцентной добавки, обуславливается процессом концентрационного тушения, сопровождающегося понижением светового выхода ПС. Так сцинтиллятор, содержащий 30 г/л (3 мас.%) 1,4-бис(5-фенилоксазолил- 2)5ензола, обладает временем высвечивания, соизмеримым с заявляемым (0,53 и 0,6 не соответственно), но значительно ( в 1,4 раза) уменьшает световой выход (поз.6). Введение же люминесцирующей добавки в количестве, меньшем, чем заявляемое значение (1,5 мас.%, поз1), уменьшает и световой выход и увеличивает длительность сцинтилляционного импульса в 1,5 раза.

Замена любого из компонентов системы: основы - поли-2,4-диметилстирола- или люминесцирующей добавки - 1,4-бис(5-фе- нилоксазолил-2)бензола, - каждый из которых обладает своими специфическими особенностями, приведет к получению композиции с новыми временными,и сцинтил- ляционными характеристиками. Твердый раствор 2-(4-бифенил)-5-фенилоксадиазола - 1,3,4 в поливинилтолуоле (известный состав NT-fll) при концентрации 4,0 мас.%, вдвое превышающей концентрацию заявляемого ПС (1,8-2,0 мзс.%), характеризуется более длительным временем высвечивания -( 3 раза), чем заявляемый ПС. Сравнение характеристики растворов при одинаковой концентрации люминесцентных добавок различной структуры не правомочно, поскольку скорость концентрационного тушения для каждой добавки различная и индивидуальна.

Оказалось, что у 1,4-бис(5-фенилоксазо- лил-2)бензола в поли-2,4-диметилстироле сокращение времени свечения с ростом концентрации этой люминесцирующей добавки происходит быстрее (при концентрации 2 ма.%), чем для известного раствора 2-(4-бифенилил(-5-фенилоксадиазола-1,3,4 в поливинилтолуоле с ростом концентрации молекул известной добавки.

К преимуществам предлагаемого ПС следует отнести и то, что стоимость предлагаемого сцинтиллятора невелика по сравнению с таковой прототипа и известного .состава. Учитывая, что сместитель спектра в прототипе - 41 ,45-дибром-2 ,5 ,25,55-тетра- метил-п-квинквифенил - промышленностью не выпускается, производство его в лабораторных условиях из-за сложности синтеза и уникальности промежуточных полупродуктов чрезвычайно дорого. Невысокая стоимость предлагаемого состава пластмассового сцинтиллятора позволяет широко использовать его в различных ядерно-физи- ческих экспериментах.

Определение бременных характеристик

было проведено методом счета отдельных фотонов при облучении указанных сцин- тилляторов электронами от радионуклидов 90Y + 90Sr. Для повышения точности

измерительной процедуры результаты измерений подвергались математической обработке на ЭВМ ЕС-1033. При обработке учитывалось, что в результате измерений получаются кинетические кривые, форма которых определяется не только формой исследуемого сигнала, а и влиянием измерительной аппаратуры, Точное определение временных параметров, описывающих форму сцинтилляционной вспышки, возможно

лишь при учете вклада аппаратуры в результаты измерений. Поэтому значения времен высвечивания сцинтилляторов, приведенные в примерах и таблице, получены вследствие обработки результатов измерений,

позволившей исключить влияние аппаратуры.

Таким образом, заявляемый состав пластмассового сцинтиллятора характеризуется значительно меньшей длительностью

сцинтилляционного импульса и более высоким световым выходом. Максимум флуоресценции этого состава ПС лежит в области максимальной чувствительности фотоэлектронного умножителя. Изобретение позволяет

упростить процесс создания пластмассового сцинтиллятора и удешевить его стоимость. Формула изобретения Пластмассовый сцинтиллятор, включающий замещенную полистирольную основу,

активизирующую и смещающую люминесци- рующие добавки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения длительности сцинтилляционного импульса и повышения светового выхода, в качестве основы использован поли-2,4-диметилстирол, а в ка- честве активизирующей и смещающей спектр люминесцирующей добавки - 1,4- бис(5-фенилоксазолил-2)бензол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

1,4-Бис(5-фенилоксазолил-2)бензол1,8-2,0

Поли-2,4-диметил- стиролОстальное

до 100,0

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к пластмассовым сцинтилляторам. Целью изобретения является уменьшение длительности сцинтилляционного импульса и повышение светового выхода. Быстродействующий пластмассовый сцинтиллятор содержит поли-2.4-диметилстирол и люмине- сцирующую добавку 1,4-бис(5-фенилоксазо- лил-2)бензол в количестве 1,8-2,0 мас.%. Предлагаемый состав пластмассового сцин- тиллятора имеет длительность сцинтилляционного импульса 0,6-0,63 не и световой выход 0,55-0,57 уесв. 1 табл. СО с агностике термоядерного синтеза, при определении времени жизни позитронов по фронтам нарастания гамма-сцинтилляций и в ряде других задач. К быстродействующим пластмассовым Сцинтилляторам предъявляется основное требование - высокое временное разрешение, дающее возможность максимально точного определения координаты попадао ю 2 XI 00