Рідкий сцинтилятор

Рідкий сцинтилятор, що вміщує первинну основу - ароматичний вуглеводень, вторинну основу - -метилнафталін і активатор – 2-феніл-5-(4біфеніліл) оксазол (ВРО), який відрізняється тим, що як первинна основа використаний третбутилтолуол при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 14-16,0 -метилнафталін активатор 0,4-0,6 трет-бутилтолуол решта. Винахід відноситься до створення матеріалів для сцинтиляційної техніки, а саме до розробки складів рідких сцинтиляторів (PC) великих за об'ємом сцинтиляційних лічильників і може бути використаний для реєстрації космічних випромінювань, наприклад, нейтрино, проведення спектрометрії нейтронного випромінювання в присутності інтенсивного гамма-фону. В умовах реального ядерно-фізичного експерименту при дослідженні продуктів ядерних реакцій реєстрація одного виду випромінювання відбувається практично завжди на фоні супроводження інших видів іонізуючих випромінювань. Як правило, у цих випадках необхідно не тільки вимірювати енергію частинок, але й проводити їхню ідентифікацію - визначати заряд і масу, тобто їх тип. Однією з основних характеристик таких сцинтиляторів є розділяюча здатність. Так, задачу розділення нейтронів на фоні фотонів γ-випромінювання (n-γ розділення) найбільш успішно можна вирішувати, використовуючи органічні кристалічні й рідкі сцинтилятори. Найкращими характеристиками володі ють монокристали стильбену. Проте перевагою PC є проста, дешева технологія одержання й можливість їхнього використання у великих об'ємах. При розробці складів нових PC для ідентифікації частинок за формою імпульсу з високою сцинтиляційною ефективністю й високим коефіцієнтом nγ - розділення (Kn) необхідний пошук недефіцитних, вогнебезпечних основ з високою прозорістю і температурою спалаху. Відомий рідкий сцинтилятор NE-213 [Scintillator cataloge. Nuclear Enterprises. Slighthill, Edinburgh, Bull. №109, 1977], що вміщує первинну основу - мксилол, вторинну основу - нафталін, активатор -2,5 дифенілоксазол (РРО) і змішувач спектру - 1,4-біс(5-феніл-2-оксазоліл)-бензол (РОРОР). Кількісні співвідношення компонентів у каталозі не зазначено. Температура кипіння PC 140 °С, температура спалаху 20 °С, максимум люмінесценції складу знаходиться у області 420 нм. Сцинтиляційна ефективність складає 78% по відношенню до антрацену і 105% у перерахунку на рідкий еталон в якості якого у сцинтиляційній техніці використову (19) UA (11) 90578 (13) C2 (21) a200810334 (22) 12.08.2008 (24) 11.05.2010 (46) 11.05.2010, Бюл.№ 9, 2010 р. (72) АНДРЮЩЕНКО ЛЮБОВ АНДРІІВНА, БЕДРИК ОЛЕКСАНДРА ІВАНІВНА, ГАЛУНОВ МИКОЛА ЗАХАРОВИЧ, ГРИНЬОВ БОРИС ВИКТОРОВИЧ, ТАРАСЕНКО ОЛЕГ АНАТОЛІЙОВИЧ, ТАРАСОВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ, ШЕРШУКОВ ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАН УКРАЇНИ (56) UA 76109, 17.07.2006 UA 24971, 25.12.1998 UA 81507, 10.01.2008 SU 56094, 30.05.1977 3 ють суміш n-терфенілу (4г/л) і 1,4-біс-(5фенілоксазоліл)-бензолу (0,1 г/л) у толуолі (РС-1); його сцинтиляційну ефективність прийнято за 100%. Коефіцієнт n- - розділення у каталозі не вказано. Недоліком PC зазначеного складу є висока вогненебезпечність, що обмежує можливість його застосування у великих об'ємах до пожежнонебезпечних відносяться об'єкти з температурою спалаху нижче 60 °С. Відомий рідкий сцинтиллятор [пат. України № 76109, G 01 Τ 1/204; С 09К 11/06], що вміщує первинну основу - бензилбензоат з температурою кипіння 323- 324 °С, вторинну основу - ароматичний вуглеводень -нафталін і активатор - 2-феніл-5(4-бифеніліл)-1,3,4 - оксадіазол -(PBD), або 1,3,5 трифеніл - 2-пиразолін (ТРР) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: нафталін 12,5-15,0; активатор 0,4-0,7; бензилбензоат. і решта. Зазначений PC є пожежнобезпечним, тому що його температура спалаху становить 156-158 °С. Недоліками PC відомого складу є низька сцинтиляційна ефективність - 78 - 82% по відношенню до наведеного вище еталону й низький коефіцієнт n- - розділення (Кn) - 13±0,8 при опромінюванні джерелом 239Рu-Ве. Відомий рідкий сцинтилятор [пат. України №24971, G01 Τ 1/204], що вміщує первинну основу - висококиплячі нафтові вуглеводні з температурою кипіння 232-324 °С, вторинну основу - αметилнафталін і активатор - 2 феніл-5-(4біфеніліл) оксазол (ВРО) при наступному співвідношенні компонентів, мас.%.: -метилнафталін 10,0; ВРО 0,4-0,6; рідкий парафін решта. Зазначений PC є пожежнобезпечним, тому що його температура спалаху становить 98 °С. Максимум люмінесценції сцинтилятору лежить в області 390 нм. До недоліків PC такого складу слід віднести низькі сцинтиляційну ефективність, що становить 88% по відношенню до зазначеного вище еталону і Кn - 0,93±0,3 при опромінюванні джерелом 239РuВе. Крім того, при видобутку рідких парафінів із нафтових фракцій необхідна робота золеумом, що потребує спеціальної апаратури та значно ускладнює техніку безпеки (див. Технічні умови Кременчуцького нафтопереробного заводу 38 УРСР, 201.449-85). Це обмежує застосування рідких парафінів при одержанні сцинтиляторів великих за об'ємом. Відомий рідкий сцинтилятор [пат. України № 81507, G01 Τ 1/204], що вміщує первинну основу ізопропілдифеніл, вторинну основу метилнафталін і активатор -2 феніл-5-(4-біфеніліл) оксазол (ВРО) при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: α-метилнафталін 12,5-15,0; ВРО 0,5; ізопропілдифенил решта. Зазначений PC є пожежобезпечним, тому що його температура кипіння - 292 °С, а температура 90578 4 спалаху - 138 °С. Сцинтиляційна ефективність такого PC становить 110% по відношенню до зазначеного еталону РС-1, а Кn - 17,5±2,5 при опромінюванні джерелом 239Рu-Ве. Максимум люмінесценції сцинтилятору лежить в області 390 нм. До недоліків PC зазначеного складу варто віднести недостатні сцинтиляційну ефективність і розділяючу здатність. Зазначені характеристики PC кращі, ніж у наведених вище аналогів, але нижчі, ніж у монокристалу стильбену, що має параметр Кn - 24 при опромінюванні джерелом 239Pu-Be [Galunov N.Z., Martynenko E.V., Tarasenko O.A. /Functional materials 13. 2. 2008. P. 359-364]. Як прототип по кількості загальних ознак нами обрано останній з наведених аналогів. В основу винаходу поставлено задачу створення пожежнобезпечного рідкого сцинтилятору з більш високими значеннями сцинтиляційної ефективності й коефіцієнтом n- - розділення. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в рідкому сцинтиляторі, що вміщує первинну основу - ароматичний вуглеводень, вторинну основу - α -метилнафталин і активатор- 2 феніл-5-(4-біфеніліл) оксазол (ВРО), відповідно до винаходу, в якості первинної основи використаний трет-бутилтолуол при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: α-метилнафталінн 14-16,0; активатор 0,4-0,6; трет-бутилтолуол решта. Застосування як первинної основи третбутилтолуолу, що має високе відношення атомів водню до атомів вуглецю в молекулі, визначає низький ступінь перекручування протонів віддачі спектром ядер віддачі 12С і його високу чутливість до швидких нейтронів. Експериментальним шляхом встановлено, що трет-бутилтолуол має високу прозорість, його об'ємна довжина загасання - не менш 6 м. Ароматичний характер первинної основи і її хороша сумісність із -метилнафталіном забезпечують ефективне перенесення енергії электронного збудження від основи до активатору й забезпечують високу сцинтиляційну ефективність. У результаті проведених експериментів обрано співвідношення компонентів, що забезпечує більш високу сцинтиляційну ефективність для швидких нейтронів, ніж для фотонів γ-випромінювання й тим самим підвищує Кn. Для складу PC, що заявляється, залитого в скляний бюкс розмірами 40x14 мм, при опромінюванні джерелом 239Рu-Ве параметр Кn - 20,6±2,5, при цьому його сцинтиляційна ефективність відносно еталону РС-1 складає 127%, а відносно стандартного еталону на основі монокристалу стильбену - 87%. Для прототипу аналогічного розміру параметр Кn - 12,1±2,5, а його сцинтиляційна ефективність відносно стандартного еталону на основі монокристалу стильбену - 66%. Спостерігається збільшення параметра Кn зі збільшенням розміру PC. Для складу PC, що заявляється, залитого в скляний бюкс розмірами 30x40 мм, параметр Кn - 23,1±2,5 при опроміненні джерелом 239Рu-Ве PC, що заявляється має температуру кипіння 202° С, а температуру спалаху 71 °С. Обраний як 5 первинна основа трет-бутилтолуол стійкий до нагрівання, переганяється без розкладання. [Баратова А.Н.. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. -М.: Химия. 1990. -460 с] і забезпечує необхідний рівень пожежнобезпечності, що дуже важливо при роботі з великими об'ємами PC. Зазначене співвідношення компонентів є оптимальним і обрано в процесі проведення експериментів. Використання -метилнафталіну у кількості, меншій, або більшій, ніж заявляється, недоцільно, оскільки призводить до зниження Кn. Зменшення змісту активатору менш 0,4 мас. % знижує сцинтиляційну ефективність PC. Збільшення змісту активатору більш 0,6 мас. % призводить до концентраціонного гасіння, у результаті якого зменшується сцинтиляція. У таблиці наведено сцинтиляційні характеристики складу PC, що заявляється і прототипу, а також характеристики PC, що заявляється при різних значеннях параметрів, що заявляються. Склад PC, що заявляється, одержували в такий спосіб. У скляну ємність заливають 845 мл (84,5 мас. %) трет-бутилтолуолу й розчиняють у ньому 5 г (0,5 мас. % активатора -2 феніл-5(4-біфеніліл) окса- золу (ВРО). Суміш ретельно перемішують до повного розчинення активатора, а потім додають 150 мл (15 мас.%) α-метилнафталіну і знову ретельно перемішують. Спектри люмінесценції PC, отриманого таким чином, вимірювалися на установці, що складається із дзеркального монохроматору ЗМР-3, приймача оптичного випромінювання ФЭУ-18, мікроамперметру М-95. Фотолюминесценція збуджувалася лампою СВДШ-500, зі спектру якої виділялося світло з довжиною хвилі λ= 313 нм за допомогою кварцового монохроматора. Максимум люмінесценції PC лежить в області 390 нм. Для визначення сцинтиляційної ефективності отриманий склад PC заливали в скляний бюкс розмірами 30x40 мм і продували спектрально чистим аргоном для очищення від розчиненого у PC кисню протягом 30 хвилин з гранично малим витрачанням інертного газу (0,25л/хв). Сцинтиляційну ефективність визначали за середнім фотоструменем фотоелектронного помножувача ФЭУ13А при опромінюванні їх радіоактивним джерелом 137Cs, по відношенню до еталону РС-1, що складала 130%. Для визначення коефіцієнту n- - розділення PC, що характеризує здатність до роздільної реєстрації нейтронів і фотонів γ-випромінювання, застосовано метод ідентифікації частинок за формою імпульсів радіолюмінесценції [пат. України № 81507, G01 Τ 1/204]. Метод полягає у безпосередньому порівнянні зарядів у повільному й швидкому компонентах сцинтиляційного імпульсу. Як джерело іонізуючого випромінювання використано дже239 рело Рu-Ве, що є одночасно як джерелом швидких нейтронів, так і джерелом фотонів γвипромінювання. Роботу установки реалізовано таким чином, щоб реєстрація імпульсу, отриманого при збудженні сцинтилятору нейтронами, приводила до формування сигналу позитивної поляр 90578 6 ності на виході суматору, а реєстрація фотонів γвипромінювання - негативної полярності. У залежності від полярності сигнали розділялися для їх оцифровки й передачі на роздільні виходи, тобто на виходи керування набором нейтронного спектру (n-вихід) і керування набором γспектру (γ-вихід).Значення коефіцієнту n- - розділення Кn визначали за формулою: де Nn( ) - загальна кількість шумових імпульсів в одиницю часу з n-виходу (γ-виходу) установки; Nn( )шум - загальна кількість шумових імпульсів і імпульсів помилкових спрацьовувань із n-виходу (γ-виходу) установки; m - множник, що враховує кількість гаммаквантів на 1 нейтрон для радіоактивного джерела (для джерела 239Pu-Be m=3). Число імпульсів, що формуються на n-та γвиходах установки, визначали за допомогою частотоміра електроннолічильного 43-38. Для отриманого PC розмірами 30x40 мм параметр Кn - 23,9±2,5. Як видно з таблиці, тільки при параметрах, що заявляються, забезпечується досягнення поставленої мети (приклади 3 -5 ). Вихід за граничні значення параметрів (приклади 2,6) призводить до погіршення сцинтиляційної ефективності й Кn. Jсц, - сцинтиляційна еффективність; Кn.-n- коефіцієнт розділення. Пропоноване технічне рішення, у порівнянні із прототипом, дозволяє підвищити сцинтиляційну ефективність на 11 -15%, а Кn на 20%- 24%. Максимум випромінювання складу PC, що заявляється, перебуває в області 390 нм і відповідає зі спектральним характеристикам фотоелектронних помножувачів. Склад, що заявляється, забезпечує необхідний рівень пожежнобезпечності й надає можливість створення PC великих об'ємів для їх використання при реєстрації космічного випромінювання, нейтрино й проведення у нейтронній спектрометрії, астрофізиці, фізиці високих енергій, в експериментах з детектування нейтрино за вторинними нейтронами. 7 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 90578 8 Підписне Тираж 26 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