ПЛАСТМАССОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯТОР Советский патент 1994 года по МПК G01T1/203 

Изобретение относится к созданию материалов для сцинтилляционной техники, а именно к пластмассовым сцинтилляторам, обладающим длительностью сцинтилляционного импульса. Такие сцинтилляторы применяются самостоятельно или в сочетании с быстродействующими ("фосфичи") в виде детекторов в сцинтилляционных ΔЕ-Е-телескопах для исследования тяжелых ионов и идентификации легких заряженных частиц (p, d, t, He^3,4, Li^6,7 и т.д.) в ядернофизических экспериментах, низкофоновых расчетах, например, для определения низких концентраций бетаизлучающих нуклидов в пробах внешней среды, пищевых продуктах и ряде других задач.

Перечисленные области применения таких пластмассовых сцинтилляторов обусловливают и основные требования, предъявляемые к ним, - максимальную длительность свечения, высокую прозрачность и сравнительно высокий световой выход.

Медленные пластмассовые сцинтилляторы представляют собой сложные системы в виде полимерной матрицы, в которой диспергированы одна или несколько флуоресцирующих органических соединений.

Из медленных пластиков известен сцинтиллятор ВС-444 на основе поливинилтолуола с максимумом эмиссии 426 нм. Полный состав этого сцинтиллятора не приводится и используемые люминесцирующие добавки не указаны. Время высвечивания сцинтиллятора 180-287 нм, а световой выход 41% по отношению к антрацену.

Сцинтиллятор применяют для регистрации протонов, дейтронов и α-частиц в энергетическом диапазоне 20-60 МэВ.

Известен также медленный пластмассовый сцинтиллятор NE-115 на основе поливинилтолуола с максимумом свечения 395 нм, состав и применяемые люминесцирующие добавки также не указаны.

Время высвечивания такого сцинтиллятора 230-344 нс, световой выход 35% по отношению к антрацену.

Сцинтиллятор работает в энергетическом диапазоне 20-60 МэВ.

В качестве прототипа выбран медленный пластмассовый сцинтиллятор NE-115 на основе поливинилтолуола с временем высвечивания 344 нс и световым выходом, равным 35% по отношению к антрацену.

К недостаткам известных медленных пластмассовых сцинтилляторов следует отнести сравнительно малую длительность свечения и невысокий световой выход сцинтилляций.

Цель изобретения - увеличение длительности сцинтилляционного импульса и повышение светового выхода сцинтилляторов.

Поставленная цель достигается тем, что пластмассовый сцинтиллятор, включающий полимерную основу - винилароматический полимер, активирующую добавку и добавку, смещающую спектр флуоресценции, согласно изобретению в качестве активирующей добавки содержит нафталин или его производные общей формулы
, где R₁= -CH₂- , R₂= R₃= H ; R₁=R₃=-CH₃, R₂=H; R₁= H, R₂=R₃=-CH₃, а в качестве добавки, смещающей спектр флуоресценции, - пирен при следующем соотношении компонентов:
Нафталин или его производные, мас.% 0,02-2 Пирен, мас.% 0,2-2 Полимерная основа Остальное
до 100%
В качестве винилароматических полимеров сцинтиллятор содержит полистирол, поливинилтолуол, поли- 2,4-диметилстирол.

Композиция, содержащая люминесцирующие соединения, обладающие сравнительно большим временем жизни, молекулы в возбужденном состоянии и сочетание их с полимерной матрицей, позволяет одновременно обеспечить длительность свечения и достаточно высокий световой выход сцинтилляций. Кроме того, наряду с длительностью свечения и световым выходом сцинтилляций необходимо учитывать, чтобы максимум флуоресценции сместителя спектра согласовывался со спектральной чувствительностью фотокатода ФЭУ.

Длительность сцинтилляционного импульса обусловливается механизмом сцинтилляционного процесса - кинетикой преобразования поглощенной энергии ионизирующего излучения в свет. Основную роль при этом играют процессы образования возбужденной полимерной матрицы, перенос энергии от полимерной матрицы к люминесцирующим добавкам, обладающим сравнительно большим временем жизни молекулы в возбужденном состоянии и излучением фотонов молекулами люминофора. Последовательность этих процессов приводит к тому, что свечение сцинтиллятора представляет собой длительный импульс с конечным временем нарастания и затяжным спадом. Таким образом, длительность процесса достигается за счет затяжной скорости переносов и сравнительно большого времени жизни возбужденного состояния как первичной активирующей добавки, так и добавки, смещающей спектр флуоресценции.

Изобретение иллюстрируется примерами, результаты которых - временные и сцинтиллирующие характеристики сцинтилляторов - сведены в таблицу.

П р и м е р 1. В форму из алюминия размером 230х400 мм заливают 8 л раствора стирола, 0,02 мас. % 1-бензилнафталина и 0,2 мас.% пирена при 110^оС, продувают азотом. Затем температуру реакционной массы повышают до 160^оС и выдерживают в этих условиях 72 ч. Для снятия напряжений, развивающихся в блоке, проводят отжиг по 5^оС в час до 80^оС, а затем самопроизвольный отжиг до комнатной температуры.

Получают заготовку со средней мол.массой 180000 и остаточным мономером 0,8%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз.2).

П р и м е р 2. В стеклянную ампулу загружают 0,2 мас.% нафталина, 0,2 мас. % пирена, заливают 200 мл свежеперегнанного 2,4-диметилстирола, продувают азотом в течение 5 мин. После этого ампулу запаивают и помещают в термостат при 110^оС. Температуру поднимают до 160^оС и при этой температуре выдерживают 72 ч. Отжиг проводят аналогично примеру 1.

Получают заготовку с мол. массой 130000 и остаточным мономером 0,8%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз. 3).

П р и м е р 3. В стеклянную ампулу загружают 1 мас.% 2,3-диметилнафталина, 1 мас. % пирена, заливают 200 мл свежеперегнанного винилтолуола. Процесс проводят аналогично примеру 2.

Получают заготовку с мол.массой 160000 и остаточным мономером 0,78%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз. 4).

П р и м е р 4. В стеклянную ампулу загружают 2 мас.% 1,3-диметилнафталина, 2 мас.% пирена и заливают 200 мл свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Процесс проводят аналогично примеру 2.

Получают заготовку с мол.массой 120000 и остаточным мономером 0,75%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз. 5).

П р и м е р 5. В стеклянную ампулу загружают 0,01 мас.% 1,3-диметилнафталина, 0,5 мас.% пирена и заливают 200 мл стирола. Процесс проводят аналогично примеру 2.

Получают заготовку с мол. массой 16000 и остаточным мономером 0,70%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз. 6).

П р и м е р 6. В стеклянную ампулу загружают 3 мас.% 2,3-диметилнафталина, 0,5 мас. % пирена и заливают 200 мл свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Процесс проводят аналогично примеру 2.

Получают заготовку с мол.массой 115000 и остаточным мономером 0,82%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз. 7).

П р и м е р 7. В стеклянную ампулу загружают 2 мас.% 1-бензилнафталина, 0,1 мас.% пирена и заливают 200 мл винилтолуола. Процесс проводят аналогично примеру 2.

Получают заготовку с мол.массой 150000 и остаточным мономером 0,68%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз. 8).

П р и м е р 8. В стеклянную ампулу загружают 0,5 мас.% 2,3-диметилнафталина, 3 мас.% пирена и заливают 200 мл свежеперегнанного стирола. Процесс проводят аналогично примеру 2.

Получают заготовку с мол.массой 150000 и остаточным мономером 0,85%. Выходные данные полученного сцинтиллятора представлены в таблице (см. поз. 9).

Как видно из данных таблицы, сцинтиллятор предлагаемого состава имеет время высвечивания 380-500 нс (см. поз. 2-5), т.е. в 1,1-1,5 раза больше, чем в прототипе (см. поз.1). Световой выход такой композиции в 1,1-1,4 раза выше по сравнению с прототипом.

Сцинтиллятор, содержащий менее 0,02 мас.% первичной добавки - нафталина или его производных, при выбранном интервале концентраций вторичной добавки в данном устройстве (см. поз. 6) имеет длительность свечения и величину светового выхода на уровне прототипа.

Введение первичной добавки в качестве активатора в концентрациях более 2 мас.% (см. поз.7) приводит к уменьшению времени высвечивания по сравнению с прототипом.

При изменении концентрации вторичной добавки с использованием при выбранном интервале концентраций первичной добавки в данном техническом решении следует, что если концентрация вторичной добавки менее 0,2 мас.% (см. поз. 8), сцинтиллятор обладает незначительным увеличением светового выхода и длительностью свечения на уровне прототипа.

Использование вторичной добавки более 2 мас.% (см. поз. 9) приводит к снижению времени высвечивания в 1,3 раза.

Сопоставление предлагаемого сцинтиллятора с прототипом показывает, что данный состав позволяет увеличить длительность свечения до 380-500 нс, т.е. в 1,1-1,3 раза, и одновременно повысить световой выход сцинтилляций в 1,1-1,4 раза.

Такие медленные пластики можно получать больших размеров и различных конфигураций. Они легки, дешевы, удобны для формовки. Эти преимущества обеспечивают экономическую осуществимость конструкции, например, многосегментных больших по площади детекторов с пластическими телескопами.

Полученные сцинтилляторы с большой длительностью сцинтилляционного импульса позволяют расширить диапазон регистрации легких заряженных частиц в энергетическом диапазоне от 5 до 120 МэВ/нуклон.

Область использования: создание материалов для сцинтилляционной техники, а именно пластмассовых сцинтилляторов, обладающих большой длительностью сцинтилляционного импульса. Сущность: пластмассовый сцинтиллятор содержит основу - винилароматический полимер, активирующую добавку - нафталин или его производные 1-бензилнафталин, 1,3-диметилнафталин, 2,3-диметилнафталин и добавку, смещающую спектр флуоресценции, - пирен при следующем соотношении компонентов: нафталин или его производные 0,02 - 2 мас.%; пирен 0,2 - 2 мас.%; полимерная основа - остальное. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. ПЛАСТМАССОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯТОР, включающий основу - винилароматический полимер, активирующую добавку и добавку, смещающую спектр флуоресценции, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности сцинтилляционного импульса и повышения светового выхода сцинтилляторов, в качестве активирующей добавки использован нафталин или его производные общей формулы:

где
R₁= -CH₂- ;
R₂ = R₃ = H;
R₁ = R₃ = -CH₃, R₂ = H;
R₁ = H; R₂ = R₃ = -CH₃,
а в качестве добавки - смещающий спектр флуоресценции - пирен при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нафталин или его производные 0,02 - 2
Пирен 0,2 - 2
Винилароматический полимер Остальное до 100
2. Сцинтиллятор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерной основы использованы полистирол, поливинилтолуол, поливинилксилол (2,4).