Пластмассовый сцинтиллятор Советский патент 1993 года по МПК G01T1/203 

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений с помощью борсодержащих пластмассовых сцинтилля- торов (ПС) и может быть использовано в экспериментальных приборах и установках для регистрации тепловых нейтронов. В ядерной физике и дозиметрии ионизирующих излучений на ядерных реакторах необходимо иметь ПС (детекторы), которые обладают высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов и при этом обнаруживают незначительную чувствительность к быстрым нейтронам и у-излучению.

Целью изобретения является повышение светового выхода борсодержащего ПС при одновременном повышении эффективности регистрации тепловых нейтронов. Цель достигается тем, что состав ПС, содержащий винилароматический полимер, бор- содержащее соединение, активирующую и. смещающую спектр люминесцирующие до- . бавки, согласно изобретению в качестве основы содержит поли-2.4,-диметилстирол, в качестве борсодержащего соединения-аллил- додекаборан формулы (СН2 CHCH2)Bi2Hi2, в качестве активирующей добавки-2-(2- метилфенил)-5-фенилоксззол, в качестве смещающей спектр добавки-1-(5-фенилок- сазолил-2)-4-(5-фенил-1,3,4-оксадиазолил-2) бензол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Борсодержащее соединение аллилдодекзборан18-20 Активирующая добавка 2-{2-метйлфенил)-5-фе- нилоксазол 2 3

«-а.

Добавка, смещающая

спектр, 1-(5-фениолоксазолил-2)-4-(5-фенил.-1,3,4-оксадиазолил-2)бензол0,08-0,

Полимерная осиоааДо 100

Положительный эффект достигается только при предложенном соотношении компонентов. Содержание бора в ПС менее 18%,

;-

не изменяй световой выход композиции, зна чительно уменьшает эффективность регистрации тепловых нейтронов. Увеличение заявляемого предельного содержания бора до 25% не способствует полному прохождению процесса полимеризации.

Синтез аллилдодекаборана осуществляют по реакции

3NaBH4 + Iz - ВзНв + 2Н2

4ВзНе-№- ; - Di2Hio2 2Na+ + 2№H + 10H2

B12H102 2Na++CH2 CHCH2Br- -(CH2 CHCHa) Bi2Hio+2NaBr

;-

Весь Синтез проводят в среде азота.

В колбу заливают 800 мл диметилового эфира диэтилеигликоля (диглима), еысушен- ного над гидридом кальция и свежеперег- нанного, и загружают 38 г (1 моль) боргидрида натрия. Смесь нагревают до ки- пеник. После полного растворения боргидрида натрия прикалывают раствор 83 г{0,33 моля) иода в 400 мл диглима. Начинается выделение осадка иодида натрия, Реакционную смесь кипятят до прекращения выделения водорода и легких бороводородов примерно в течение 4 ч. Затем смесь охлаждают до комнатной температуры, отфильт- ровывают образовавшиеся осадки. К фильтрату по каплям прибавляют 20 г (0,16 моля) бромистого аллила при те -шературе не выше 50°С. Кипятят 2 ч и отфильтровывают бромид натрия. Отгоняют диглим при пониженном давлении {50-60 мм рт.ст.), а затем при 5-6 мм рт.ст все низкокипящие продукты. Основную фракцию диаллилдо- декаборана собирают от 180 до 250°С при 5-6 мм рт.ст. Повторная перегонка ее дает продукт с температурой кипения 210 230°С при 12 мм рт.ст. (плотность cU -1,0713, тю- казатель преломления по -1,4365). ПС ал- лилдодекабораи ранее не использовался.

В связи с высокой растворимостью ал- лилдодекаборана в мокомере-2,4-диметил- стироле е сцинтиллзционную композицию можно вводить до 20% бора, т.е. практически в 1,2 pass больше, чем он введен в прототип (15%).

5

10

15

20

25

30 35404550

55 Удачное сочетание оптических характеристик первичной и вторичной люминесциру- ющих добавок, заключающееся в наибольшем перекрытии спектра люминесценции активатора (2-(2-метилфенил)-(5-фе- ниолоксззола) со спектром поглощения смесителя спектра (1-{5-фенилоксазолил-2)-4 (5-фенил-1,3,4-оксадиазолил-2)бензол), способствует более эффективному переносу энергии электронного возбуждения в этой системе. Взаимосвязь люминесцентных характеристик добавок и специфических свойств основы-поли-2,4-диметилстирола, проявляющаяся в конкретном твёрдом растворе ПС при определенном массовом соотношении компонентов, дает неожиданный результат.

Заявляемый ПС обладает при этом одновременно не только более высоким световым выходом, но и более высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. Так, в заявляемом диапазоне концентраций люми- несцирующих добавок и борсодержащего соединения световой выход ПС составляем 38-42% по отношению к антрацену, а эффективность регистрации тепловых нейтронов колеблется от 62 до 76%. Выделение бора в предлагаемой концентрации позволяет сохранить достаточно большую длину ослабления света сцинтилляции (1)-0,16- 0,17 м. Такие высокие сцинтилляционные характеристики ПС заявляемого состава определяются совокупностью свойств как полимерной основы - поли-2,4-диметилстирола, так и всех остальных компонентов, входящих в состав ПС. Такой неочевидный результат достигнут на основании ряда проведенных экспериментов с варьируемыми концентрациями люминесцирующих до- .бавок и поиска полимерной основы и борорганического соединения.

Введение в заявляемую композицию аллилдодекаборана позволяет проводить полимеризацию при температуре 70°С, т.е. в 2 раза ниже, чем при обычном процессе полимеризации ПС. ПС заявляемого состава можно получать в виде блоков и пленок с помощью любого известного способа полимеризации.

Измерения светового выхода ПС производили по анодному току фотоумножителя ФЭУ 110 по ГОСТ .17038 3-79 (детекторы ионизирующих излучений сцинтилляционные) с точечным источником / -излучения на основе 90Y + 90S г типа БИС-3. В качестве эталонного сцинтиллятора использовался монокристалл антрацена, световой выход которого принят зз 100%. Измерение эффективной длины ослабления света производили на спектрофотометре СФ-16.

Для определения эффективности регистрации тепловых нейтронов образцы ПС помещали на фотокатод ФЭУ-110 и в светонепроницаемом кожухе устанавливали в измерительный колодец замедлителя из парафина в виде куба со стороной 500 мм. Ри + Ве-источник нейтронов с выходом 5 106 нейтронов/с располагали в замедлителе на расстоянии 10 см от оси измерительного колодца. Измерения потока тепловых нейтронов проводили активационным методом. Сигнал с последнего диода ФЭУ поступал в предусилитель, смонтированный в том же светонепроницаемом кожухе. Из пред- усилителя импульсы поступали на вход од- ноканйльного амплитудного анализатора. Импульсы положительной полярности с выхода анализатора поступали на вход форми- рователья, в котором формировались отрицательные импульсы длительностью 1 мкс, амплитудной 5В, обеспечивающие управление многоканальным анализатором АИ-128.

П р и м е р 1 (поз. 2). В ампулу из термостойкого стекла загружают 2% 2-(2- метилфенил)-5-фенилоксазола, 0,1% 1-(5- фени локсазолил-2)-4-(5-фенил-1,3,4- оксади азолил-2)бензола, 15% (21 мл) аллилдодека- «борана и заливают 92,9% свежеперегнан- ного 2,4-диметилстирола. Содержание ампулы продувают азотом в течение 5 мин, запаивают и помещают в термостат при температуре 70°С, выдерживают при этой температуре 72 ч. Для уменьшения содержания остаточного мономера температуру повышают до 140°С и выдерживают в термостате 24 ч. Для снятия напряжений, развивающихся в блоке, проводят отжиг по 5°С в час до 80°С. Ампулу разбивают и полученный образец помещают в термостат для самоохлаждения до комнатной температуры. Затем образец подвергают механической обработке-шлифовке и полировке. Из полученного блока получают образец ПС 040 х h 40 мм.

Выходные данные: относительный световой выход составляет 43% по отношению к монокристаллу антрацена, эффективность регистрации медленных нейтронов составляет 57%, эффективная длина ослабления света-0,175 м.

П р и м е р 2 (поз. 3). В ампулу из термостойкого стекла загружают 2% 2-(2- метилфенил(-5-фенилоксазола, 0,1% 1-(5- фенилоксазолил-2)-4-(5-фенил-1,3,4-оксади азолмл-2)бензола, 18% (25 мл) аллилдодека- борана и заливают 82,9% свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Далее процесс осуществляют, как описано в примере 1. Выходные данные полученного образца

ПС: 0 40 мм и h 40 мм, относительный световой выход составляет 41%, эффективность регистрации тепловых нейтронов со5 ставляет 62%, эффективная длине ослабления света - 0,173 м. бстальные примеры приведены в табл. 2.

В табл. 1 приведено сравнение сцинтил- ляционных и оптических характеристик

0 известных составов ПС. прототипа и заявляемого ПС.

Как видно из данных табл. 2, сцинтилля- тор заявляемого состава имеет максимум излучения 415 нм в видимой области спект5 ра, чт и прототип - 425 нм, ПС предложенного состава, как видно из таб. 2 (поз. 1-7) содержит больше брра (18-20%), чем прототип (15%, поз. 9).

Преимуществом предлагаемых сцин0 тилляторов является их высокий световой выход при большой концентрации борсо- держащего соединения. Так, прототип растворяет всего лишь 15% бора, световой выход при этом составляет 29% по отноше5 нию к антрацену. ПС предложенного состава способны растворять до 20% бора при высоком световом выходе (42%). Это преимущество заявляемых ПС позволяет достичь хорошее разрешение сцинтилляторов

0 и расширить область их использования для спектрометрических целей.

Запредельное содержание бора (25%) в ПС не позволяет процессу полимеризации идти до конца. При этом сополимеризация

5 аллильного соединения с 2,4-диметилстиро- лом сопровождается вырождением передачи цепи на мономер. Запредельное содержание первичной и вторичной добавки также не приводит к получению положительного эффек0 та,

Увеличение до 20% концентрации вводимого бора при одновременном повышеннии до 42% светового выхода и значительном увеличении эффективной длины ослабления

5 света (в 1,4 раза) способствует значительному повышению (в 1,7 раза) эффективности регистрации тепловых нейтронов, что расширяет область применения таких борсо- держащих сцинтилляторов, используемых в

0 ядерных и космических экспериментах. Высокая оптическая прозрачность сцинтиллято- ра (эффективная длина ослабления света) дает возможность изготавливать сцинтилля- торы различных размеров и сложной конфи5 гурации. В то же время в зависимости от требований высокий световой выход в сочетании с высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов открывает возможность уменьшения габаритов сцин- тиллйтора, что весьма снизит его.стоимость,

Меньшая летучесть и токсичность бор- содержащего соединения - аллилдодекабо- рана, снижение в 2 раза температуры полимеризации (от 150 до 70°С) позволяют снизить токсичность вредных выбросов паров, выделяющихся при получении ПС и особенно при формировании ПС из расплава. Это улучшает санитарно-гигиенические условия труда на участках получения ПС.

Формула изобретения- Пластмассовый сцинтиллятор на основе винйлароматического полимера, включающий люминесцирующие добавки и борсо- держащее соединение, отличающийся тем, что, с целью повышения светового выхода и эффективности регистрации тепловых нейтронов, в.качестве борсодержащего

соединения использован аллилдодекабо- ран формулы tCH2 CHCH2)Bi2Hi2, в качестве активирующей люминесцирую- щей добавки-2-(2-метилфенил)-5-фенилокс- азол. смещающей спектр люминесцирующей добавки-1-{5-фенилоксазолил-2)-4-(5-фенил -1,3, 4-оксадиазолил-2-)-бензол, в качестве полимерной основы -поли-2, 4-диметилсти- рол при следующем соотношении компонентов, мае. %:

Указанное борсодержащее соединение

18-20 2-3

Активирующая люмине- сцирующая добавка Смещающая спектр люминесцирующая добавка0,08-0,1 Указанная полимерная основа Остальное

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, конкретно к пластмассовым сцинтил- ляторам для регистрации тепловых нейтронов, и может быть использовано в экспериментальных приборах и установках в яДерной физике и дозиметрии ионизирующих излучений. Сущность: пластмассовый сцин- тиллят.ор содержит поли-2,4-диметилстирол, люминесцирующие добавки и борорганическое соединение. В качестве первичной лю- минесцирующей добавки используется 2-(2-метилфенил)-5-фенилоксазол, смещающей спектр добавки-1-{5-фенилоксазолил-2}- 4-(5-фенил-1,3,4-оксадиазолмл-2)бензол, борорганического соединения-аллилдодека- боран в соотношении, мас.%: первичная лю- минесцирующая добавка 2-3, вторичная люминесцирующая добавка 0,08-0,1, борорганическое соединение 18-20, полимерная основа - остальное до 100. 2 табл.

Таблица 1

Продолжение таблицы 1

Таблица 2