Рідкий сцинтилятор

Рідкий сцинтилятор, що містить первинну основу - очищену вазелінову олію, вторинну основу α-метилнафталін, активатор – 2-феніл-5-(4біфеніліл)-оксазол (ВРО), який відрізняється тим, що до складу додатково введено зміщувач спектру - 1,4-ди-5-(4'-третбутилфеніл-2-оксазоліл)-бензол (DTB-POPOP), при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: α-метилнафталін 25,0-35,0, ВРО 0,4-0,5, DTB-POPOP 0,004-0,008, очищена вазелінова олія Решта. . Винахід відноситься до створення матеріалів для сцинтиляційної техніки, а саме до розробки складів рідких сцинтиляторів (PC) великих за об'ємом, для сцинтиляційних лічильників і може бути використаний для реєстрації космічних випромінювань, наприклад, нейтрино, проведення спектрометрії нейтронного випромінювання в присутності інтенсивного гамма-фону. Розвиток апаратури для ядерно-фізичних досліджень із підвищеною чутливістю й вибірковістю, зумовлює необхідність застосування сцинтиляторів, що відповідають цілому комплексу підвищених вимог, серед яких висока прозорість, збільшення розмірів й висока ефективність реєстрації. Задачу розділення нейтронів на фоні фотонів випромінювання (n- - розділення) найбільш успішно можна вирішувати, використовуючи органічні кристалічні й рідкі сцинтилятори. Найкращими характеристиками володіють монокристали стильбену. Однак, одержання органічних монокристалів великих розмірів (діаметром більш 80мм) є важким завданням. Перевагою PC є відносно дешева технологія їхнього отримання й можливість використання у великих об'ємах. До недоліків найбільш ефективних PC варто віднести пожежну небезпеку, що обумовлена низькою температурою спала ху, і токсичність. Тому, розробка нових нетоксичних, пожежнобезпечних PC з високою сцинтиляційною ефективністю (Jсц) й високим коефіцієнтом n- -трозділення (Kn) є актуальною проблемою. 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 дифенілок-сазол (РРО) і зміщувач спектру - 1,4біс-(5-феніл-2-оксазоліл)-бензол (РОРОР ). Кількісні співвідношення компонентів у каталозі не зазначено. Температура кипіння PC 140°С, температура спалаху 20°С, максимум люмінесценції знаходиться у області 420 нм. Його Jсц становить 105% у перерахунку на стандартний рідкий еталон РС-1 в якості якого у сцинтиляційній техніці використовують суміш n-терфенілу (4г/л) і 1,4-біс-(5фенілоксазоліл)-бензолу (0,1г/л) у толуолі; його сцинтиляційну ефективність прийнято за 100%. Недоліком зазначеного PC є висока токсичність і пожежна небезпека, що обмежує можливість його застосування у великих об'ємах (до пожежнонебезпечних відносяться об'єкти з температурою спалаху нижче 60°С. (19) UA (11) 90603 (13) C2 (21) a200814719 (22) 22.12.2008 (24) 11.05.2010 (46) 11.05.2010, Бюл.№ 9, 2010 р. (72) АНДРЮЩЕНКО ЛЮБОВ АНДРІЇВНА, БЕДРИК ОЛЕКСАНДРА ІВАНІВНА, ГРИНЬОВ БОРИС ВИКТОРОВИЧ, ТАРАСЕНКО ОЛЕГ АНАТОЛІЙОВИЧ, ТАРАСОВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ, ШЕРШУКОВ ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАН УКРАЇНИ (56) UA 76109, 17.07.2006 SU 172331, 29.06.1965 SU 560194, 30.05.1977 RU 2069872, 27.11.1996 RU 2078355, 27.04.1997 3 90603 4 Відомий рідкий сцинтилятор [А.С.СРСР Зазначений PC є нетоксичним і пожежнобез172331, С09К, 11/06], що вміщує первинну основупечним, а бензилбензоат виробляється промисловістю як тонажний продукт, що застосовується у вазелінову олію, вторинну основу медицині. Недоліками PC є низька Jсц й низький метилнафталін, активатор - 2,5 дифенілоксазол Kn. (РРО) і зміщувач спектру -1,4-біс-(5-феніл-2Відомий рідкий сцинтилятор [Васильченко оксазоліл)-бензол (РОРОР), при наступному співВ.Г., Головкин СВ., Медведков A.M., Соловьев відношенні компонентів, мас.%: А.С. Дешевые и эффективные органические сцин-метилнафталін 10,0; тилляторы //Приборы и техника эксперимента. РРО 0,5; 2000, №5, с.34-39], що вміщує первинну основу РОРОР 0,01; очищену вазелінову олію, вторинну основу - нафвазелінова олія Решта. талін, толуол, активатор - 2,5 дифенілоксазол PC зазначеного складу є пожежнобезпечним (РРО) і зміщувач спектру - 1,4-біс-(4-метил-5тому, що температура кипіння вазелінової олії фенілоксазол-2-іл)-бензол (DMPOPOP, при насту360°С, а температура спалаху - 180°С. Вазелінова пному співвідношенні компонентів, мас.%: олія є нетоксичним матеріалом, що виробляється толуол 5,0; промисловістю як тонажный продукт та застосовунафталін 4,0; ється у медицині. РРО 1,0; Недоліками PC є низька Jсц - 45-55% по відноDMPOPOP 0,01; шенню до еталону РС-1, що обумовлено низькою очищена вазелінова олія Решта. прозорістю вазелинової олії й низьким утриманням Максимум люмінесценції такого PC знаходитьа-метилнафталіу. Використання такого складу PC ся у області 430нм, Jсц становить 103% у перерау великих об'ємах малоефективно, бо низька прохунку на рідкий еталон РС-1. зорість вазелинової олії, що обумовлена наявнісЗастосування в якості первинної основи очитю домішок, затрудняє перехід енергії до активащеної вазелінової олії, введення до складу PC тору. толуолу й зміщувача спектру - 1,4-біс-(4-метил-5Відомий рідкий сцинтилятор [пат. України фенілоксазол-2-іл)-бензолу (DMPOPOP) забезпе№24971, G01Т1/204], що вміщує первинну основу чує підвищення Jсц у порівнянні з вище наведенирідкий парафін, вторинну основу ми аналогами. Недоліком PC є низька стабільність метилнафталін або n-ксилол і активатор - 2 фенілJсц у порівнянні з вище наведеними аналогами, що 5-(4-біфеніліл) оксазол (ВРО) при наступному обумовлено високою летючістю толуолу. Окрім співвідношенні компонентів, мас.%: того, наявність у складі PC толуолу, що має дуже -метилнафталін або n-ксилол 5-20,0; низьку температуру спалаху - 4,4°С знижує його ВРО 0,4-0,6; пожежну безпеку. Зазначені недоліки обмежують рідкий парафін Решта. можливість застосування складу для PC великих Температура кипіння PC становить 232-234°С, за об'ємом. температура спалаху - 98°С, максимум люмінесВідомий рідкий сцинтилятор [пат. України № ценції лежить в області 390нм, Jсц становить 88% 81507, G01Т1/204], що вміщує первинну основу по відношенню до еталону РС-1, а Кn - 0,93±0,3 ізопропілдифеніл, вторинну основу від.од. при опромінюванні джерелом 239Pu-Be. метилнафталін і активатор -2 феніл-5-(4Склад зазначеного PC є пожежнобезпечним, біфеніліл)оксазол (ВРО) при наступному співвідале недоліками його є низька Jсц і низький Kn, що ношенні компонентів, мас.%: обумовлено неароматичним характером первин-метилнафталін 12,5-15,0; ної основи. Крім того, при видобутку рідких параВРО 0,5; фінів із нафтових фракцій необхідна робота з олеізопропілдифеніл Решта. умом, що потребує спеціальної апаратури та Температура кипіння PC-292°С, температура значно ускладнює техніку безпеки (див. Технічні спалаху - 138°С, максимум люмінесценції лежить в умови Кременчуцького нафтопереробного заводу області 390нм, Jсц становить 110% по відношенню 38 УРСР, 201.449-85). Це обмежує застосування до еталону РС-1, а Kn - 17,5±2,5 від.од. при опрорідких парафінів при одержанні сцинтиляторів вемінюванні джерелом 239Pu-Be. ликих за об'ємом. Зазначений PC є пожежнобезпечним, має Відомий рідкий сцинтилятор [пат. України слабку токсичність і забезпечує підвищення Jсц та №76109, G01Т1/204; С09К11/06], що вміщує перKn у порівнянні з вище наведеними аналогами. винну основу - бензилбензоат, вторинну основу Однак, його недоліком є недостатня розділяюча нафталін і активатор - 2-феніл-5-(4-бифеніліл)здатність, що хоча й вища ніж у відомих аналогів, 1,3,4 - оксадіазол - (PBD), або 1,3,5 - трифеніл - 2однак нижча, ніж у монокристала стильбену, що пиразолін (ТРР) при наступному співвідношенні має Kn>24,0 від.од. при опроміненні джерелом компонентів, мас. %: 239 Pu-Be [Galunov N.Z., Martynenko E.V., Tarasenko нафталін 12,5-15,0; О.A. /Functional materials 13, №2. 2008, p.359-364]. активатор 0,4-0,7; Відомий рідкий сцинтилятор PC-301 [Галунов бензилбензоат Решта. Н.З., Семиноженко В.П. Теория и применение раТемпература кипіння зазначеного PC станодиолюминсценции органических конденсированвить 323-324°С, температура спалаху - 156-158°С, ных сред //Київ: Наукова думка, 1997. - С.138, і максимум люмінесценції знаходиться в області Galunov N.Z., Martynenko E.V., Tarasenko O.A. 390нм та 420нм, Jсц становить 78-82% по відно//Functional materials 13, №2, 2008, p.359-364], що шенню до еталону РС-1, а Kn - 13±0,3 від.од. при містить первинну основу - очищену вазелінову опроміненні їх джерелом 239Pu-Be. 5 90603 6 Ø40х14мм, обгорнутого відбивачем Tetratex при олію, вторинну основу - -метилнафталін, активаопроміненні 239Pu-Be Kn становить 22,1±2,5 від.од., тор- 2 -феніл 5-(4-біфеніліл)оксазол (ВРО), при при тім його Jсц щодо еталона ЖС-1 - 115,1. Для наступному співвідношенні компонентів, мас.%: прототипу аналогічного розміру при тім же відби-метилнафталін 15,0; вачі Kn становить 14,1±2,5 від.од., а його Jсц щодо ВРО 0,5; еталону РС-1 - 85,3%. Для монокристалу стильбеочищена вазелінова олія решта ну аналогічного розміру Kn становить 24,1±2,5 Температура кипіння наведеного PC>300°С, від.од. температура спалаху -150°С, максимум люмінесЗазначене співвідношення компонентів є опценції перебуває в області 390нм, Jсц становить тимальним і обрано в процесі проведення експе83,5% у перерахунку на еталон РС-1, а Kn риментів. Використання як первинної основи очи17,5±2,5 від. од. при опроміненні їх джерелом 239 щеної вазелінової олії в сполученні з Pu-Be. метилнафталіном при зазначених концентраціях Зазначений склад PC є пожежнобезпечним і компонентів забезпечує високу прозорість PC, їхня нетоксичним. Використання як первинну основу об'ємна довжина загасання не менш 12м. Зменочищену вазелінову олію в сполученні з шення кількості -метилнафталіну менш 25мас.% метилнафталіном забезпечує високу прозорість або його збільшення більше 35мас.%, а також PC, їхня об'ємна довжина загасання не менш 10м. зменшення кількості DTB-POPOP менш Однак недоліком PC зазначеного складу є низькі 0,004мас.% знижує розділяючу здатність PC. Змезначення Jсц й Kn, що обумовлено неароматичним ншення кількості ВРО менш 0,4мас.% призводить характером первинної основи. до зниження Jсц. Зменшення кількості DTB-POPOP Як прототип по кількості загальних ознак нами менш 0,004мас.% зменшує розділяючу здатність обрано останній з наведених аналогів. PC. Збільшення кількості ВРО більш 0,5мас.% та В основу винаходу поставлено задачу ствоDTB-POPOP більш 0,008мас.% не доцільно тому, рення рідкого сцинтилятору з більш високими знащо не призводить до позитивного эффекту. ченнями сцинтиляційної ефективності й коефіцієнСклад PC, що заявляється, є нетоксичним і том n- - розділення, що з урахуванням його пожежнобезпечним тому, що температура його призначення для детектування у великих об'ємах, кипіння >300°, а температура спалаху - 140°С. був би пожежнобезпечним та нетоксичним. У таблиці наведено залежність Jсц та Kn від Рішення поставленого завдання забезпечуконцентраційного складу PC, що заявляється й ється тим, що в рідкому сцинтиляторі, що містить прототипу, а також характеристики PC при різних первинну основу - очищену вазелінову олію, втозначеннях параметрів, що заявляються. ринну основу - -метилнафталін, активатор - 2 феСклад, що заявляється, одержують у такий ніл-5-( 4-біфеніліл) оксазол (ВРО), відповідно до спосіб. винаходу, до складу додатково введено змішувач У скляний стакан заливають 30мас.% (мол) спектру - 1,4-ди-5 (4'-третбутилфеніл-2-оксазоліл)метилнафталіну й додают 0,5мас.% (г) -2 феніл-5бензол (DTB-РОРОР), при наступному співвідно(4-бифенилил) оксазол (ВРО). Суміш ретельно шенні компонентів, мас.%: перемішують до повного розчинення активатору. В -метилнафталін 25,0-35,0; отриману суміш додають 0,006мас.% 1,4-ди-5 (4'ВРО 0,4-0,5; третбутилфеніл-2-оксазоліл)-бензолу (DTBDTB-POPOP 0,004-0,008; POPOP). Отриману суміш перемішують протягом очищена вазелінова олія Решта. не менш 15хв до повного розчинення зміщувача Збільшення кількості -метилнафталіну у спектру, а потім у суміш додають 69,994мас:% складі PC, що містить вазелінову олію, забезпечує (мол) очищеної вазелінової олії. Отриманий склад підвищення його Jсц у порівнянні із прототипом за PC перемішують протягом не менш 20 хв, а потім рахунок більше ефективного переносу енергії елевакуумують протягом не менш 15хв до повного ктронного збудження від основи до активатору. видалення повітряних включень. Крім того, збільшення кількості -метилнафталіну Спектри люмінесценції PC, отриманого таким в зазначеному діапазоні концентрації, дозволяє чином, вимірювалися на установці, що складаєтьрозширити асортимент застосування високоефекся із дзеркального монохроматору ЗМР-3 й прийтивних зміщувачів спектру, що погано розчиняютьмача оптичного випромінювання ФЭУ-18. Фотося у вазелінової олії. Зокрема, експериментальним люмінесценція збуджувалася лампою СВДШ-500, шляхом було встановлено, що введення до складу зі спектру якої виділялося світло з довжиною хвилі PC зміщувача спектру -DTB-POPOP забезпечує не =313нм за допомогою кварцового монохроматотільки підвищення Jсц, але й Kn. Підвищення роздіра. Максимум люмінесценції PC лежить в області ляючої здатності PC досягається, мабуть, за раху425нм. нок, досить високого відношення числа атомів воДля визначення сцинтиляційної ефективності дню до числа атомів вуглецю = 1 в DTB-POPOP, отриманий склад PC заливали в скляний бюкс що приводить до підвищення ефективності реєстрозмірами Ø40x14мм і продували спектрально рації нейтронів і збільшенню внеску повільних чистим аргоном для очищення від розчиненого у компонентів їх сцинтиляції. Введення до складу PC кисню протягом 30 хвилин з гранично малим PC у якості зміщувача спектру РОРОР, у якого витрачанням інертного газу (0,25л/хв). Потім бюкс відношення числа атомів водню до числа атомів обгортали відбивачем Tetratex. вуглецю =0,66 при тім же активаторі ВРО, погіршує Сцинтиляційна ефективність PC, залитого в його розділяючу здатність. Для складу PC, що забюкс і обгорнутого в Tetratex визначалася по сеявляється, залитого в скляний бюкс розмірами редньому фотопіку ФЭУ-13А, при опроміненні їх 7 90603 8 радіоактивним джерелом 137Cs по відношенню до Nn Nn шум еталону РС-1 і складала 115,1%. Kn m, y Для визначення коефіцієнту n- - розділення Nшум PC, що характеризує здатність до роздільної реєстрації нейтронів і фотонів -випромінювання, де Nn( y ) - загальна кількість імпульсів в одизастосовано метод ідентифікації частинок за форницю часу з n-виходу ( -виходу) установки; мою імпульсів радіолюмінесценції [пат. України n( y ) №81507, G01Т1/204]. Метод полягає у безпосереNшум - загальна кількість шумових імпульсів і дньому порівнянні зарядів у повільному й швидкоімпульсів помилкових спрацьовувань із n- виходу му компонентах сцинтиляційного імпульсу. Як ( -виходу) установки; джерело іонізуючого випромінювання використано m - множник, що враховує кількість гаммаджерело 239Рu-Ве, що є одночасно як джерелом квантів на 1 нейтрон для радіоактивного джерела швидких нейтронів, так і джерелом фотонів - ви(для джерела 239Pu-Bem=3). промінювання. Роботу установки реалізовано таЧисло імпульсів, що формуються на n-та ким чином, щоб реєстрація імпульсу, отриманого виходах установки, визначали за допомогою часпри збудженні сцинтилятору нейтронами, привототоміра злектроннолічильного ЧЗ-38. дила до формування сигналу позитивної полярноДля отриманого PC Kn складає - 22,1±2,5 від. сті на виході суматору, а реєстрація фотонів од. Для монокристалу стильбену аналогічного ровипромінювання -негативної полярності. У залежзміру Kn 24,1±2,5. ності від полярності сигнали розділялися для їх Сцинтиляційну ефективність й Kn PC залитого оцифрування й передачі на роздільні виходи, тобв бюкс розмірами Ø40x14мм і обгорнутого в то на виходи керування набором нейтронного спеTetratex у прототипі , а також PC при різних знактру (n-вихід) і керування набором -спектру ( ченнях параметрів, що заявляються, визначали вихід). аналогічним чином. Значення коефіцієнту n- - розділення Kn визначали за формулою: Таблиця № 1 2 3 4 5 6 Склад компонентів, мас.% Прототип, розміри PC Ø4Cх14 мм Пропонований, розміри PCØ 40x14 мм вазелінова олія ВРО -метилнафталін 75,696 24 0,3 74,956 25 0,4 69,494 30 0,5 64,592 35 0,4 63,391 36 0,6 Jсц.- Jсц., - сцинтиляційна еффективність; Kn - n- коефіцієнт розділення. 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 Kn. Пропоноване технічне рішення, у порівнянні із прототипом, дозволяє поліпшити сцинтиляційну ефективність PC більш ніж в 1,38 рази, а Kn - в 1,4 рази. По якості n- розділення PC, що заявляється, наближається до монокристалу стильбену. Комп’ютерна верстка В. Мацело Jсц, % 83,5 DTB-РОРОР 0,003 0,004 0,006 0,008 0,009 Kn. відн. од 14,4±2,5 99,6 105 115,1 117,2 100,5 18,3±2,5 21,3±2,5 22,1±2,5 20,1±2,5 17,1±2,5 Максимум випромінювання складу PC, що заявляється, перебуває в області 420нм і відповідає спектральним характеристикам фотоелектронних помножувачів. Склад, що заявляється, забезпечує необхідний рівень пожежнобезпечності й надає можливість створення великих об'ємів PC на основі доступної, нетоксичної сировини 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. 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