Рідкий сцинтилятор

1. Рідкий сцинтилятор, що містить первинну основу з органосилоксанів, які мають органічні радикали з числом атомів вуглецю 2 , вторинну основу - ароматичний вуглеводень, активатор і зміщувач спектра - оксазол, молекули якого складаються з п'яти циклів, який відрізняється тим, що вторинною основою є трет-бутилтолуол при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: трет-бутилтолуол 60-70 активатор 0,4-1,0 зміщувач спектра 0,04-0,08 органосилоксан решта. 2. Рідкий сцинтилятор за п. 1, який відрізняється тим, що як активатор містить оксазол, молекули якого складаються з чотирьох циклів. UA (21) a200708427 (22) 23.07.2007 (24) 11.01.2010 (46) 11.01.2010, Бюл.№ 1, 2010 р. (72) АНДРЮЩЕНКО ЛЮБОВ АНДРІІВНА, ВИДАЙ ЮРІЙ ТРОХИМОВИЧ, ГОРБАЧОВА ТЕТЯНА ЄВГЕНІВНА, ГРИНЬОВ БОРИС ВИКТОРОВИЧ, ЄЛИСЄЇВ ДМИТРО АНАТОЛІЙОВИЧ, ТАРАСОВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ, ШЕРШУКОВ ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАН УКРАЇНИ (56) UA 76109 C2; 17.07.2006 SU 154402; 1963 RU 95118493 A; 27.12.1997 RU 2110812 C1; 10.05.1998 GB 1264045 A; 16.02.1972 GB 1222111 A; 10.02.1971 GB 1519268 A; 26.07.1978 Васильченко В.Г., Головкин С.В., Медведков А.М., Соловьев А.С. Дешевые и эффективные органи C2 2 (19) 1 3 ринну основу - ароматичний вуглеводень - метилнафталін, n-ксилол і активатор - (оксазол, молекули, якого складаються із чотирьох циклів)2-феніл-5-(4-біфеніліл)-оксазол (ВРО), при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: -метилнафталін 10,0; ВРО 0,4-0,5; рідкий парафін решта. Рідкий сцинтилятор, зазначеного складу є пожежно безпечним, тому що його температура спалаху становить 98°С. Однак, при видобутку рідких парафінів із нафтових фракцій необхідна робота з олеумом, що потребує спеціальної апаратури та значно ускладнює техніку безпеки (див. Технічні умови Кременчуцького нафтопереробного заводу 38 УРСР, 201.449-85). Це обмежує застосування рідких парафинів при одержанні сцинтилятору, який треба вживати у великих обсягах. Крім того, -метилнафталін, що використовується у складі сцинтилятору як вторинна основа є мало доступним і процес одержання його потрібного ступеня чистоти є трудомістким. Недоліком відомого рідкого сцинтилятору є низька сцинтиляційна ефективність - 88% стосовно загальноприйнятого рідкого еталону, що обумовлено низькою розчинністю -метилнафталіну в рідких парафінах. Недоліком зазначеного складу сцинтилятору, також є недостатнє узгодження його спектру люмінесценції, що має максимум у області 390нм, із спектральною чутливістю стандартних фотоелектронних помножувачів, що мають максимум у області 420нм. Відомий рідкий сцинтилятор [Патент України №76109, G01T 1/204 С 09K 11/06], що містить первинну основу - бензілбензоат із температурою кипіння 323-324°С, вторинну основу - ароматичний вуглеводень - нафталін і активатор - 2-феніл-5-(4біфеніліл)-оксадіазол-1,3,4 (PBD) або 1,3,5трифеніл-2-пиразолін (ТРР) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %.: Нафталін 2,5-15,0; Активатор 0,4-0,7; Бензилбензоат решта. Зазначений сцинтилятор є пожежно безпечним, тому що його температура спалаху становить 156-158°С, що є важливим при роботі з великими об'ємами сцинтилятору. Недоліком сцинтилятору є низька сцинтиляційна ефективність - 78-82% стосовно загальноприйнятого рідкого еталону. Відомий рідкий сцинтилятор [Васильченко В.Г., Головкин СВ., Медведков A.M., Соловьев А.С. Дешевые и эффективные органические сцинтилляторы // Приборы и техника эксперимента. 2000, №5, с. 34-], що вміщує як первинну основу органосилоксани, які мають органічні радикали з числом атома вуглецю = 2 (олігодиетилсилоксан ПЕС-5) і більше (поліметилфенілсилоксан ПМФС), вторинну основу - ароматичний вуглеводень - нафталін, активатор - трицикловый оксазол - 2,5 дифенілоксазол (РРО) і зміщувач спектру - оксазол, молекули, якого складаються з п'яти циклів - 1, 4біс-(4метил-5-феніл-оксазоліл-2)-бензол (DMPOPOP), при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 89213 4 Нафталін 3,0-4,0; РРО 1,0; DMPOPOP 0,03; Органосилоксан решта. Зазначений рідкий сцинтилятор є пожежнобезпечним, тому що температура спалаху ПЕС-5 становить 260°С, а поліметилфенілсилоксанових рідин - не нижче 180°С. Унікальний комплекс властивостей органосилоксанів (висока стабільність стосовно впливу температури й навколишньої атмосфери, хімічна стійкість, біологічна інертність, висока температура загоряння пар) дає можливість створення великих за об'ємом рідких сцинтиляторів для використання у фізиці високих енергій. Максимум випромінювання рідкого сцинтилятору (430нм) відповідає спектральним даним фотоелектронних помножувачів. Недоліком даного рідкого сцинтилятору є низька сцинтиляційна ефективність - 47...68% стосовно стандартного сцинтилятору на основі полістиролу, що містить як активатор n-терфеніл (2,0мас. %), а як зміщувач спектру - РОРОР (0,03мас. %). Це пояснюється низькою розчинністю вторинної основи й зміщувача спектру в органосилоксанах. Як прототип по кількості загальних ознак нами обраний останній із наведених аналогів. В основу винаходу поставлено завдання створення рідкого сцинтилятору з більш високою сцинтиляційною ефективністю, що з урахуванням його призначення для роботи у великих об'ємах, був би пожежнобезпечним. Рішення поставленого завдання забезпечується тим, що в рідкому сцинтиляторі, що вміщує первинну основу з органосилоксанів, які мають органічні радикали з числом атомів вуглецю 2, вторинну основу - ароматичний вуглеводень, активатор і зміщувач спектру - оксазол, молекули, якого складаються з п'яти циклів, відповідно до винаходу, вторинною основою є трет-бутилтолуол при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: трет-бутитопуол 60-70; активатор 0,4-1,0; зміщувач спектру 0,04-0,08; органосилоксан решта. Як активатор може бути використаний оксазол, молекули, якого складаються з чотирьох циклів) - 2-феніл-5-(4-біфеніліл)-оксазол (ВРО), або його похідні, наприклад 2-(4-біфеніліл)-5-(2,4,5триметилфеніл)-оксазол (ТМ-ВРО). Як показали експерименти, трет-бутилтолуол володіє високою прозорістю в області довжин хвиль більш 300нм і високою розчинністю в органосилоксанах, що містять органічні радикали з числом атома вуглецю 2. Це дозволяє використовувати його як вторинну основу в великій кількості - до 60-70%, що забезпечує підвищення розчинності, розширення асортименту активаторів і зміщувачів спектру й тим самим підвищити сцинтиляційну ефективність сцинтиляторів. Зокрема, застосування трет-бутилтолуолу, забезпечило можливість використання іншого ніж у прототипі, більш доступного зміщувача спектру, а саме 1,2біс(5-феніл-оксазоліл-2)-бензолу (о-РОРОР), а як активатору 2-феніл-5-(4-біфеніліл) оксазолу 5 (ВРО), 2-(4-біфеніліл) 5-(2,4,5-триметилфеніл)оксазолу (ТМ-ВРО), що володіють більшою світловою віддачею, але погано розчиняються в органосилоксанах. При цьому сцинтиляційна ефективність сцинтиляторів складає 108% щодо стандартного рідкого еталону й 103% щодо пластмасового сцинтилятору на основі полістиролу. Наявність у складі сцинтилятору зазначених компонентів у співвідношенні, що заявляється забезпечує підвищення сцинтиляційної ефективності сцинтиляторів до 101,9% щодо стандартного рідкого еталона й до 96,8% щодо пластмасового сцинтилятору на основі полістиролу. Трет-бутилтолуол має температуру кипіння 192,8°С, температуру спалаху 63°С, стійкість до нагрівання, переганяється без розкладання [Баратова А.Н. Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. - М.: Химия..1990. - 460с.] й в сполученні з олігоорганосилоксанами, що володіють більш високою температурою загоряння, забезпечує необхідний рівень пожежно безпечності. Крім того, використання трет-бутилтолуолу, гранично-допущена концентрація, якого в повітрі виробничих приміщень становить 60мг/м3, у сполученні з органосилоксаном дозволяє знизити токсичність сцинтилятору. Зазначене співвідношення компонентів у складі сцинтилятору є оптимальним і обрано в процесі проведення експериментів. Зменшення вмісту трет-бутилтолуолу менш 60мас.%. знижує ефективність переносу енергії електронного збудження від основи до активатору і, відповідно, приводить до зниження його сцинтиляційної ефективності. Збільшення вмісту трет-бутилтолуолу більш 70% підвищує пожежно небезпечність й токсичність сцинтилятору без збільшення сцинтиляційної ефективності. Збільшення вмісту активатору більш 1,0% приводить до концентраційного гасіння, у результаті якого зменшується сцинтиляційна ефективність. Зменшення вмісту активатора менш 0,4мас. % знижує сцинтиляційну ефективність через недостатню активацію люмінесценції. Зменшення вмісту змішувача спектру менш 0,04 не забезпечує великої світлової віддачі. Збільшення вмісту зміщувача спектру більш 0,08 не доцільно, тому, що не призводить до підвищення сцинтиляційної ефективності. У таблиці наведено залежність сцинтиляційної ефективності від складу рідкого сцинтилятора, що заявляється й прототипу. Приклади одержання рідких сцинтиляторів представлено нижче. Приклад 1 У ємність заливають 342,3г (34,23мас.%) поліметилфенілсилоксану (ПМФС), розчиняють у ньому 650г трет-бутилтолуолу (65мас. %), 7,0г (0,7мас %) - 2,5 дифенілоксазолу (РРО) і 0,07г (0,07мас. %) -1, 4-біс-(4 метил-5-феніл-оксазоліл-2)-бензолу (DMPOPOP). Суміш ретельно перемішують до повного розчинення активатору й зміщувача спектру, а потім вакуумують до повного видалення повітряних включень. 89213 6 Сцинтиляційну ефективність сцинтилятору (Ісц), як і в прототипі визначали при збудженні конверсійними електронами радіонукліда 137Cs (624кеВ). Як видно з таблиці (приклад 5) сцинтиляційна ефективність Ісц рідкого сцинтилятору (PC) складає 101,9 96,8% по відношенню до стандартного рідкого еталону - суміші (0,4мас. %. n-терфенілу й 0,01мас. % РОРОР у толуолі) і 96,8% відносно до сцинтилятора на основі полістиролу (ПС) (2,0мас. %. n-терфенілу й -0,05мас. %. РОРОР). У порівнянні із прототипом, запропоноване технічне рішення забезпечує підвищення сцинтиляційної ефективності більш ніж в 1,3 рази. Приклад 2 У ємність заливають 344,5г (34,45мас. %) ПМФС, розчиняють у ньому 650г третбутилтолуолу (65мас. %), 5г (0,5мас.%.) 2-(4біфеніліл) 5-(2,4,5-триметилфеніл)-оксазолу (ТМВРО) і 0,5г (0,05мас.%) 1,2-біс(5-феніл-оксазоліл2) бензолу (орто-РОРОР). Суміш перемішують до повного розчинення активатору й зміщувача спектру, а потім вакуумують до повного видалення повітряних включень. Сцинтиляційну ефективність вимірювали аналогічним способом. Як видно з таблиці (приклад 10) сцинтиляційна ефективність Ісц сцинтилятору щодо стандартного рідкого еталону склала 108%, а відносно еталону на основі полістиролу - 103% У порівнянні із прототипом пропоноване технічне рішення забезпечує поліпшення сцинтиляційної ефективності більш ніж в 1,4 рази. Приклад 3 У ємність заливають 342,3г (34,23мас. %) олігодиетилсилоксану ПЕС-5, розчиняють у ньому 650г трет-бутилтолуолу (65мас. %), 6г (0,6мас%) 2 феніл-5(4-біфеніліл) оксазолу (ВРО) і 0,7г (0,07мас.%) о-РОРОР до повного розчинення активатору й зміщувача спектру, а потім вакуумують до повного видалення повітряних включень. Сцинтиляційну ефективність вимірювали аналогічним способом. Як видно з таблиці (приклад 15) сцинтиляційна ефективність Ісц сцинтилятору щодо стандартного рідкого еталону склала 94% і 89% щодо сцинтилятору на основі полістиролу - У порівнянні із прототипом запропоноване технічне рішення забезпечує підвищення сцинтиляційної ефективності більш ніж в 1,6 рази. Як видно з таблиці, тільки при параметрах, що заявляються, забезпечується досягнення поставленої мети (приклади 4-6, 9-11, 14-16). Вихід за граничні значення параметрів приводять до зниження сцинтиляційної ефективності (приклад 3, 8, 13) і збільшенню токсичності (приклад 7, 12, 17). Таким чином, запропоноване технічне рішення в порівнянні з прототипом забезпечує підвищення сцинтиляційної ефективності рідких сцинтиляторів більш ніж в 1,3-1,6 рази й забезпечує необхідний рівень пожежно безпечності, що дає можливість створення великих за об'ємом сцинтиляційних лічильників для використання у фізиці високих енергій. 7 89213 8 Таблиця № № Рідкий сцинтилятор Прототип 1 "-" 2 пер. основа ПМФС 96,97 ПЕС-5 96,97 Запропонований 13 14 15 16 17 40,67 39,56 34,23 28,92 27,81 ПМФС "-" "-" "-" "-" "-" 40,67 39,56 34,45 28,92 27,81 "-" 8 9 10 11 12 "-" "-" "-" "-" "-" "-" 3 4 5 6 7 ПМФС ПЕС-5 "-" "-" "-" "-" 40,67 39,56 34,23 28,92 27,81 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Вміст компонентів, мас.% втор. основа активатор нафталін РРО 3,0 1,0 нафталін РРО 3,0 1,0 трет-бутилРРО толуол 59,0 0,3 60,0 0,4 65,0 0,7 70,0 1,0 71,0 1,1 трет-бутилТМ-ВРО толуол 59,0 0,3 60,0 0,4 65,0 0,5 70,0 1,0 71,0 1,1 трет-бутилВРО толуол 59,0 0,3 60,0 0,4 65,0 0,6 70,0 1,0 71,1 1,1 Підписне зміщ. спектру DMPOPOP 0,03 DMPOPOP 0,03 Jсц, %, відносно PC ПС 74 69 58 53 84 98 101,9 100 99 79 95 96,8 95 94 88,2 92,5 108,0 107,0 106,0 83,1 87,3 103,0 102,0 101,0 82 93 94 93 86 77 87 89 88 81 DMPOPOP 0,03 0,04 0,07 0,08 0,09 о-РОРОР 0,03 0,04 0,05 0,08 0,09 о-РОРОР 0,03 0,04 0,07 0,08 0,09 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