ЖИДКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР Советский патент 1994 года по МПК G01T1/204

Описание патента на изобретение SU1769600A1

Изобретение относится к созданию материалов для сцинтилляционной техники, а именно к эмульсионным жидким сцинтилляторам.

Такие сцинтилляторы обладают способностью смешиваться с водными объектами, образуя гомогенную сцинтилляционную композицию (эмульсионные водорастворимые жидкие сцинтилляторы). Они применяются для определения радиоактивного загрязнения природных вод (в частности, загрязнения природных вод тритием вблизи атомных электростанций), естественной радиоактивности поверхностной и подземной гидросферы водных бассейной, в ядерных и медико-биологических исследованиях.

Известен жидкий сцинтиллятор ЖС-8 на основе диоксана, используемый в различных областях науки и техники. В него можно вводить не более 20% водной пробы, при этом эффективность регистрации водного раствора трития составляет 39% . Дальнейшее введение воды приводит к расслоению водной и органической фаз; определить эффективность регистрации радионуклида в этом случае уже не представляется возможным.

Недостатком такого состава сцинтиллятора является то, что в жидкий сцинтиллятор максимально можно вводить до 20% воды. Диоксан, как основа жидкого сцинтиллятора ЖС-8, дает низкую эффективность регистрации низкоэнергетического β -излучения ³Н. При длительном хранении диоксана образуются перекисные соединения, которые, с одной стороны, служат сильными тушителями сцинтилляции, с другой, - в качестве окислителей могут стимулировать хемилюминесценцию. Фотоэлектронные умножители при протекании химической окислительно-восстановительной реакции в растворе жидкий сцинтиллятор + проба образца регистрируют свечение хемилюминесценции, и тем самым вносят добавочную ошибку к счету радиоактивности. В самом диоксане можно растворить большое количество воды, но присутствие воды в жидком сцинтилляторе приводит к уменьшению растворимости люминесцирующей добавки.

Явными преимуществами в качестве основы для жидких сцинтилляторов обладают органические углеводородные растворители. Они не образуют перекиси, а жидкие сцинтилляторы на их основе более эффективны по световому выходу, чем на основе диоксана. Для того, чтобы придать таким сцинтилляторам способность смешиваться с большими объемами воды без расслоения, используют эмульгаторы или поверхностно-активные вещества. При внесении в такую композицию воды образуется мелкая эмульсия воды в органическом растворителе, средний размер капелек менее 0,1 мкм.

Известный жидкий сцинтиллятор, основой которого является М-ксилол, люминесцирующие добавки - 2,5-дифенилоксазол и 1,4-бис(4-метил-5-фенилоксазолил-2)бензол, которые обрабатываются на эмульгирующем аппарате с добавлением поверхностно-активного вещества в М-ксилоле. Данные приведены из натурного образца.

Недостатком этого сцинтиллятора является низкая водорастворяющая способность (до 50% воды от объема сцинтиллятора можно ввести), причем эффективность регистрации трития при этом чрезвычайно мала (1,5-1,9% ). При концентрации воды свыше 50% сцинтиллятор образует плотный гель, приводящий к нестабильной регистрации активности ³Н, что не обеспечивает достоверности результатов измерения.

Из-за недостаточного объема вводимой в жидкий сцинтиллятор водный пробы невозможно проводить измерения малых уровней объемной активности бета-излучающих радионуклидов в водных средах. Нижний край температурного диапазона при измерениях составляет 0^oC. Из-за недостаточно широкого температурного диапазона измерения проб можно проводить только при температуре выше 0^oС.

Известен эмульсионный жидкий сцинтиллятор NЕ 260 на основе ксилола. Эффективность регистрации ³Н при введении 15% воды составляет 20% . Нижний температурный предел, при котором можно производить измерения, составляет 0^oC. Этот сцинтиллятор применяется в медико-фармацевтических исследованиях для измерения активности водных объектов, биологических объектов, содержащих водорастворимые минеральные примеси (кислоты, соли, щелочи) и т. д.

Недостатком этого сцинтиллятора является низкая водорастворяющая способность сцинтиллятора и низкая эффективность регистрации радионуклида ³Н.

Цель изобретения - повышение водорастворяющей способности и эффективности регистрации радионуклидов ³Н.

Поставленная цель достигается тем, что жидкий сцинтиллятор, включающий органическую основу - изомер ксилола, люминесцирующую добавку - производные 2,5-диарилоксазола, поверхностно-активное вещество, согласно изобретению, содержит в качестве основы n-ксилол, в качестве люминесцирующей добавки 2-(4-бифенилил)-5-фенилоксазол, в качестве поверхностно-активного вещества - неодинол АФ 9-12 и дополнительно вторичный растворитель - этиловый спирт при соотношении компонентов, г/л: 2-(4-бифенилил)-5- фенилоксазол 8-10 Неонол АФ-9-12 0,6-0,8 Этанол 0,3-0,4 n-ксилол 1,0
Оксиэтилированные алкилфенолы на основе тримеров пропилена представляют собой техническую смесь полигликолевых эфиров моноалкилфенолов следующего состава: RC₆H₄O(C₂H₄O)n H, где R - разветвленный алкильный радикал (изононил); n - количество молей окиси этилена, приходящееся на 1 моль алкилфенолов.

Для неонола АФ 9-12 cтепень оксиэтилирования в среднем составляет 12. Он применяется при заводнении нефтяных пластов для интенсификации нефтедобычи, при бурении скважин, в текстильной, целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве и в ряде других отраслей народного хозяйства.

Неонол АФ 9-12 придает жидкому сцинтиллятору гелеобразующие свойства. При введении в жидкий сцинтиллятор на основе органического растворителя n-ксилола водной пробы образуется эмульсия - прозрачный коллоидный раствор. Образование эмульсии способствует более равномерному и более полному смешению с водой, предотвращает коагуляцию люминесцирующей добавки, что обеспечивает условия высокоэффективной регистрации β-частиц малой энергии. Основное преимущество измерения в эмульсиях - это возможность без предварительной обработки вводить в жидкий сцинтиллятор большие объемы водных проб. Неонол АФ 9-12 поддается биологическому расщеплению, поэтому его использование в сцинтилляционной композиции улучшает экологические характеристики состава.

Количество люминесцирующей добавки в данном составе жидкого сцинтиллятора (8-10 г/л) cоответствует тому оптимальному значению активатора, которое в 1 л углеводородного растворителя - n-ксилола, разбавленного сильно тушащими вторичным растворителем (этиловым спиртом) и поверхностно-активным веществом (неонолом), сохраняет максимально высокую эффективность регистрации трития при сильном разбавлении жидкого сцинтиллятора водой (например, в соотношении 1: 1 по объему). Кроме того, предлагаемая концентрация активирующей добавки такова, что даже при значительном введении водной пробы в жидкий сцинтиллятор (1: 1), люминофор остается полностью в растворенном состоянии, что обеспечивает полную прозрачность образующемуся гелю.

Максимальная эффективность регистрации трития наблюдается при соблюдении соотношения n-ксилол - этиловый спирт 1: 0,3 (0,4). Такая смесь удобна в работе как при введении в жидкий сцинтиллятор 20% воды, так и при увеличении объема водной пробы до 100% .

Кроме того, вторичный растворитель в составе жидкого сцинтиллятора выполняет роль разбавителя поверхностно-активного вещества и способствует значительному смешению с водной пробой.

Поверхностно-активное вещество должно быть вязкой жидкостью, хорошо смешиваться с углеводородным растворителем и этиловым спиртом. Если в состав жидкого сцинтиллятора вместо жидкого неонола АФ 9-12 ввести твердое поверхностно-активное вещество, предлагаемый эффект исчезнет: при смешении жидкого сцинтиллятора с водной пробой образуется непрозрачный, молочный гель.

Предлагаемый жидкий сцинтиллятор на основе n-ксилола не изменяет своих сцинтилляционных характеристик даже при длительном стоянии, что приводит к повышению точности и надежности измерений.

В предлагаемую сцинтилляционную композицию может быть введено 100% воды, т. е. объем, равный объему исходного жидкого сцинтиллятора. При этом эффективность регистрации радионуклида трития достаточно высока (4,4% ). Указанный эффект достигается только при определенном взаимозависимом соотношении ингредиентов. Выбор указанных выше ингредиентов в приведенных граничных значениях позволил улучшить технические и эксплуатационные характеристики жидкого сцинтиллятора.

Предлагаемый состав жидкого сцинтиллятора позволяет вводить до 100% воды, при этом эффективность регистрации нуклида остается довольно высокой по сравнению с прототипом.

В предлагаемом жидком сцинтилляторе объем вводимой водной пробы в 2,5 раза превышает ее значение для сцинтиллятора-прототипа.

Значения оптимальных концентраций люминесцирующей добавки 2-(4-бифенилил)-5-фенилоксазол находятся в пределах от 8 до 10 г/л. Нарушение граничных значений люминесцирующей добавки, входящей в состав предлагаемого эмульсионного жидкого сцинтиллятора, делает его непригодным для эксплуатации. Так, жидкий сцинтиллятор, содержащий менее 8 г/л люминесцирующей добавки, при введении уже 60% воды имеет эффективность регистрации ниже, чем при предлагаемой концентрации. При введении люминесцирующей добавки в количестве большем, чем предлагаемое значение концентрации, например 12 г/л, эффективность регистрации трития значительно затруднена.

Это вызвано тем, что в таком жидком сцинтилляторе при внесении значительного количества водной пробы из-за уменьшения растворимости начинает коагулировать значительное количество люминофора. Образующийся полупрозрачный гель с суспендированной люминесцирующей добавкой не позволяет получить достоверные результаты измерения эффективности регистрации.

К преимуществам состава жидкого сцинтиллятора следует отнести и то, что при предлагаемой концентрации поверхностно-активного вещества (0,6-0,8 л) при введении от 20% до 100% воды образуется устойчивая прозрачная эмульсия. При концентрации меньшей или большей, чем предлагаемая концентрация поверхностно-активного вещества, образуется непрозрачная гелеобразная масса типа "молока", не позволяющая проводить измерения активности трития.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый состав жидкого сцинтиллятора отличается не только наличием более эффективной люминесцирующей добавки, но и более эффективного эмульгатора, позволяющего жидкому сцинтиллятору смешиваться даже со 100% водной пробы.

Указанный положительный эффект достигается только при предлагаемом количественном и качественном сочетании компонентов. Нарушение верхних или нижних пределов концентраций компонентов по каждому из вводимых в состав сцинтиллятора ингредиентов приводит к отсутствию положительного эффекта. Положительный эффект и достижение цели изобретения обеспечивается лишь сочетанием всех предлагаемых признаков.

П р и м е р 1. В емкость с пришлифованной пробкой заливают 10 мл сцинтилляционного n-ксилола и растворяют в нем 0,08 г 2-(4-бифенилил)-5-фенилоксазола, для чего содержимое нагревают на водяной бане при температуре 50-60^oC до полного растворения люминесцирующей добавки (5-7 мин). В полученный раствор добавляют 6 мл поверхностно-активного вещества - неонола АФ 9-12 и 3 мл этилового спирта. Смесь нагревают на водяной бане до полного растворения эмульгатора при 50-60^oC (7-10 мин). В 1 л жидкого сцинтиллятора вводят 0,2 мл раствора тритиевой воды с известной удельной активностью. Смесь энергично встряхивают до получения устойчивого геля.

Эффективность регистрации определяли как отношение скорости счета, измеренной при определенном пороге регистрации, к активности образца раствора тритиевой воды, введенного в жидкий сцинтиллятор в известном количестве.

Измерение скорости счета образцов проводили на установке для контроля сцинтилляционных параметров, включающей низкофоновый фотоэлектронный умножитель типа 130, низкошумящий предусилитель и усилитель импульсов типа БУС 2-94 и БУС 2-47. Счет импульсов регистрировался пересчеткой типа ПСО 2-4М. Погрешность определения скорости счета не превышала 10% при доверительной вероятности 0,95.

Эффективность регистрации трития 37,1% .

П р и м е р 2. К 1 мл жидкого сцинтиллятора, приготовленного по примеру 1, добавляют 0,4 мл тритиевой воды с известной удельной активностью. Смесь энергично встряхивают до получения устойчивого геля.