Сцинтиляційний детектор на основі органічного сцинтилятора

Сцинтиляційний детектор на основі органічного сцинтилятора, що містить корпус детектора, у якому розташований сцинтилятор, виконаний з часток сцинтиляційного матеріалу певного розміру, введених в оптично прозоре імерсійне середовище, та зчленований елементом оптичного зв'язку на основі поліорганосилоксанового каучуку з вихідним вікном, який відрізняється тим, що як органічний сцинтилятор використаний стильбен з лінійним розміром часток від 0,5 до 2,5мм, які введені в оптично прозоре імерсійне середовище в кількості 70-75 мас. % від маси середовища, яке являє собою силіконовий діелектричний гель "Sylgard-527". Винахід відноситься до технології виготовлення сцинтиляційних детекторів іонізуючих випромінювань, зокрема детекторів для реєстрації швидких нейтронів, які використовуються для контролю радіаційних параметрів зовнішнього середовища, митного контролю, а також у задачах радіоекології, радіобіології й спектрометрії швидких нейтронів. Швидкі нейтрони з енергією до 2MeB - найбільш шкідливий для людського організму тип іонізуючого випромінювання. Для проведення робіт з детектування й спектрометрії швидких нейтронів у задачах радіоекології й радіобіології, коли потоки випромінювання, що детектуються, малі, необхідно мати детектори великої площі, з матеріалу, який забезпечує реєстрацію нейтронів на фоні gвипромінювання. Детектори на основі стильбену й n-терфенилу є найбільш ефективними для реєстрації короткопробіжних іонізуючих випромінювань (a, b часток), а детектори на основі стильбену - і для спектрометрії швидких нейтронів. Якість сцинтилятору як детектора швидких нейтронів характеризують, як правило, середньою величиною - відносною ефективністю реєстрації швидких нейтронів. Під цією величиною розуміють відношення повного числа відрахунків під кривою спектра протонів віддачі досліджуваного зразка до повного числа відрахунків під кривою спектра протонів віддачі еталонного сцинтилятора (обидва спектри набираються в один і той же час, при одній і тій же геометрії опромінення). У якості еталонного сцинтилятора для реєстрації швидких нейтронів використовують монокристал стильбену, відносну ефективність реєстрації швидких нейтронів якого приймають за 100%. Відомий сцинтиляційний детектор на основі органічного сцинтилятора для реєстрації різних видів ядерного випромінювання [А.с. CPCP №1037773, G01T1/202], що містить корпус детектора, у якому розташований сцинтилятор з монокристалу стильбена або n-терфенила, оптично зчленований елементом оптичного зв'язку з вихідним вікном. Недоліком таких детекторів є обмеженість їхніх розмірів, обумовлена обмеженістю розмірів вирощуваних монокристалів n-терфенилу й стильбену діаметром не більше 80мм, що виключає детектування випромінювань малих і дуже малих активностей джерела. Відомий сцинтиляційний детектор на основі органічного сцинтилятора для реєстрації іонізую (19) UA (11) 86136 (13) C2 (21) a200708433 (22) 23.07.2007 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) КАРАВАЄВА НАТАЛІЯ ЛЕОНІДІВНА, UA, БУДАКОВСЬКИЙ СЕРГІЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ, UA, ГАЛУНОВ МИКОЛА ЗАХАРОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) UA 18241, 25.12.1997 UA 28278, 29.12.1999 SU 1037773, 20.06.1998 SU 1512339, 30.12.1993 SU 1612764, 23.03.1993 RU 2142147, 27.11.1999 GB 1286622, 23.08.1972 US 4059765, 22.11.1977 3 чих випромінювань, переважно бета-часток [пат. України №28278А, З30У28/02], що містить корпус детектора, у якому розташований сцинтилятор, що представляє собою спресований при температурі 87-107°C n-терфенил, активований 1,4діфенілбутадієном-1,3, з дисперсністю часток 24мм, оптично зчленований елементом оптичного зв'язку на основі високомолекулярного органосилоксанового каучука з вихідним вікном. Сцинтиляційні детектори для реєстрації швидких нейтронів на основі спресованого при зазначеній температурі стильбену можуть мати різні геометричні розміри, однак мають низьку механічну міцність внаслідок невисокої здатності вихідної сировини (часток стильбену) до пластичної деформації під час пресування, в результаті чого в полікристалі утворюються пори, які знижують міцність матеріалу сцинтилятора й приводять до розсіювання світла сцинтиляцій, погіршуючи тим самим величину сцинтиляційного сигналу (світловий вихід такого детектора від випромінювання aчастки з енергією 5MeB становить 5000 фотонів). Крім того, процес гарячого пресування є трудомістким, потребуючим спеціального устаткування й великих енерговитрат. Відомий сцинтиляційний детектор на основі органічного сцинтилятора для реєстрації іонізуючих випромінювань, зокрема бета-випромінювання [патент України №18241A, G01T1/202], що містить корпус детектора, у якому розташований сцинтилятор, що представляє собою частки n-терфенилу з лінійними розмірами 1-2мм, введені в оптично прозоре імерсійне середовище, зчленований елементом оптичного зв'язку на основі низькомолекулярного поліорганосилоксанового каучука з вихідним вікном. Імерсійне середовище являє собою кремнійорганічну матрицю, що містить 10-40% мас. фенольних ланок, (2,0-7,0)×10-4% платини і в якості отверджувача силоксановий олігомер, який містить 0,5-0,7мас.% гідридсилоксанових груп. Як показали експериментальні дані, сцинтиляційні детектори для реєстрації швидких нейтронів з використанням часток стильбену з аналогічними лінійними розмірами в зазначеному імерсійному середовищі можуть мати різну геометричну конфігурацію з детектуючою поверхнею великої площі. Однак недоліком такого детектора, як і детекторів на основі n-терфенила, є наявність платини в кремнійорганічній матриці: сцинтилятор, залишаючись прозорим, здобуває згодом сірий відтінок, що приводить до погіршення сцинтиляційних характеристик детектора. Крім того, зазначене імерсійне середовище згодом також втрачає свої пластичні властивості (стає крихким), що приводить до руйнування детектора й, відповідно, погіршення його сцинтиляційних характеристик (див. Таблицю 1). Як прототип за кількістю загальних ознак обраний останній з наведених аналогів. В основу винаходу поставлене завдання розробки сцинтиляційного детектора різної геометричної конфігурації з детектуючою поверхнею великої площі на основі органічного сцинтилятора для реєстрації швидких нейтронів при збереженні високої ефективності реєстрації швидких нейтронів, 86136 4 що забезпечує стабільність сцинтиляційних характеристик в процесі роботи детектора. Рішення поставленого завдання забезпечується тим, що в сцинтиляційному детекторі на основі органічного сцинтилятора, що містить корпус детектора, в якому розташований сцинтилятор, що представляє собою частки певного розміру, введені в оптично прозоре імерсійне середовище, зчленований елементом оптичного зв'язку на основі поліорганосилоксанового каучуку з вихідним вікном, відповідно до винаходу, у якості органічного сцинтилятора він містить стильбен з лінійним розміром часток 0,5-2,5мм, введених в імерсійне середовище в кількості 70-75% мас. від маси середовища, яке представляє собою силіконовий діелектричний гель «Sylgard - 527». Використання в якості органічного сцинтилятора часток стильбену дозволяє виготовляти детектори різної геометричної конфігурації з детектуючою поверхнею великої площі, що мають високу ефективність детектування швидких нейтронів, яка лише незначно уступає еталону - монокристалу стильбена (див. Таблицю 1), і, відповідно, дозволяє проводити виділення потоку (дискримінацію) швидких нейтронів на фоні шумових сигналів (наприклад, g-випромінювання). Розміри часток сцинтилюючого матеріалу повинні бути такими, щоб у них відбувалося повне поглинання протонів віддачі. У ході досліджень було встановлено, що виконання сцинтилятора у вигляді часток з лінійним розміром 0,5-2,5мм забезпечує високу однорідність чутливості детектора по всій площі вихідного вікна за рахунок повного світлозбирання по всій поверхні сцинтилятора, і, як наслідок, високий світловий вихід і ефективність реєстрації швидких нейтронів детектора (див. Таблицю 1, 2). Зменшення лінійного розміру часток сцинтилятора зумовлює наявність більшої кількості зерен стильбену на одиницю об'єму сцинтилятора, що підвищує кількість поверхонь, які розсіюють (відбивають) в одиниці об'єму й, відповідно, утрудняє проходження світла через сцинтилятор. Збільшення розміру часток сцинтилятору приводить до зниження ефективності реєстрації швидких нейтронів детектора (див. Таблицю 2). Як показали експериментальні дані, оптимальний вміст кристалів стильбену в імерсійному середовищі, що забезпечує високу ефективність реєстрації швидких нейтронів, становить 70-75% мас. від маси середовища (див. Таблицю 2). Збільшення вмісту стильбена в матриці недоцільне це веде до порушення однорідності оптичного контакту детектора й погіршенню сцинтиляційних характеристик детектора. Зменшення вмісту кристалів стильбена в імерсійному середовищі приводить до зниження ефективності реєстрації швидких нейтронів детектора за рахунок нещільного впакування кристалів у середовищі. Використання в якості імерсійного середовища силіконового діелектричного гелю «Sylgard-527» забезпечує високу ефективність реєстрації швидких нейтронів детектора, тому що «Sylgard-527» не має поглинання в області люмінесценції сцинтилюючого матеріалу (стильбену), дозволяючи уник 5 86136 нути тим самим втрат світла на межі кристалімерсійне середовище. Крім того, інертність гелю «Sylgard-527» забезпечує стабільність сцинтиляційних параметрів детектора в процесі його експлуатації. Так, результати повторних вимірів ефективності реєстрації швидких нейтронів і світлового виходу детектора протягом 12 місяців перебували в межах похибки одиничних вимірів (порядка 5%) (див. Таблицю 3). У Таблиці 1 наведені ефективність реєстрації швидких нейтронів і світловий вихід детектора, що заявляється, і детектора на основі часток стильбену, виготовленого з використанням імерсійного 6 середовища прототипу, у порівнянні з еталоном (монокристалом стильбену). У Таблиці 2 наведена залежність відносної ефективності реєстрації швидких нейтронів від лінійних розмірів часток і процентного вмісту стильбену в імерсійному середовищі детектора (як еталон було обрано сцинтиляційний детектор на основі монокристала стильбена з ефективністю реєстрації швидких нейтронів 100%). У Таблиці 3 наведені дані повторних вимірів відносної ефективності реєстрації швидких нейтронів і світлового виходу детектора, що заявляється, протягом 12 місяців. Таблиця 1 Лінійний розмір часток стильбену, мм 1,0-2,0 0,5-2,5 Еталон (монокристал стильбену) Імерсійне середовище Відносна ефективність реєстрації Світловий вихід*, швидких нейтронів, відн. од. у тис. фотонів Кремнійорганічна матриця за прототипом "Sylgard-527" 60 95 5,8 100 -- 4,6 6,9 * Світловий вихід від a-частки 239Pu з енергією 4,97MeB Таблиця 2 Лінійний розмір часток сцинтилятору, мм менше за 0,5 0,5-2,5 більше за 2,5 0,5-2,5 0,5-2,5 0,5-2,5 Зміст часток стильбену Відносна ефективність реєстрації швидких в імерсійному середовищі, % нейтронів детектора, відн. од. 73 12 73 95 73 80 60 82 75 95 80 75 Таблиця 3 Детектор, що заявляється 1 місяць експлуатації 3 місяці експлуатації 6 місяців експлуатації 1 рік експлуатації Відносна ефективність реєстрації швидких нейтронів, відн. од. 95 93 94 94 Світловий вихід*, у тис. фотонів 5,8 5,6 5,9 Світловий вихід від a-частки 239Pu з енергією 4,97MeB Сцинтиляційний детектор для реєстрації швидких нейтронів виготовляють у такий спосіб. Монокристалічні заготівки стильбену дроблять при низькій температурі, просівають через сита з різними розмірами ячійки від 0,5 до 2,5мм і поміщають отримані в такий спосіб частки стильбену в попередньо ретельно перемішане імерсійне середовище «Sylgard-527» з розрахунку вмісту стильбену в середовищі не менш 70%. Суміш перемішують і наносять на попередньо підготовлене вихідне вікно детектора, після чого вакуумують детектор до повного видалення повітряних включень і витримують протягом 48 годин під вантажем при кімнатній температурі до повної полімеризації імерсійного середовища. Потім у корпус детектора вклеюють вхідне вікно й герметизують детектор. Сцинтиляційний детектор працює наступним чином. Випромінювання проходить через вхідне вікно й бічну поверхню детектора, викликаючи усередині сцинтилятора спалахи, які реєструються розташованим з боку вихідного вікна детектора фотоелектронним помножувачем, що посилює сигнал і через електронний перетворювач передає його на прилад, який аналізує отриману інформацію. Як видно з даних Таблиць 1-3, пропоноване технічне рішення забезпечує можливість створення сцинтиляційного детектора різної геометричної конфігурації з детектуючою поверхнею великої площі для реєстрації швидких нейтронів, який має 7 86136 високу ефективність реєстрації швидких нейтронів (на рівні еталона - монокристалу стильбена), і забезпечує роздільну реєстрацію нейтронів і фоно Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 вого g-випромінювання й збереження сцинтиляційних характеристик у процесі роботи. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601