Пластмасовий сцинтилятор

Реферат: Винахід належить до сцинтиляційної техніки, а саме до пластмасових сцинтиляторів, які використовуються для створення детекторів іонізуючих випромінювань в експериментах по фізиці високих енергій. Пластмасовий сцинтилятор на основі полістиролу містить первинну люмінесцентну добавку 2,5-диметил-1,4-дистирилбензол (DMDSP), а основа додатково містить трифеніламін при певному співвідношенні компонентів, мас. %: Технічним результатом винаходу є підвищення сцинтиляційної ефективності, зменшення часу наростання сцинтиляційного спалаху і збільшення терміну служби. UA 106857 C2 (12) UA 106857 C2 UA 106857 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до сцинтиляційної техніки, а саме до пластмасових сцинтиляторів (ПС), які використовуються для створення детекторів іонізуючих випромінювань в експериментах по фізиці високих енергій. В даний час сцинтиляційна техніка вимагає створення ПС з високою сцинтиляційною ефективністю (СЕ), малим часом наростання сцинтиляційного спалаху і великим терміном служби. Перераховані вимоги пред'являються до ПС при їх використанні в швидких системах відбору подій електромагнітних калориметрів, коли необхідно реєструвати рідкісні частинки високих енергій за наявності великого фону інших подій, а також для вимірювань енергії заряджених частинок за часом прольоту. Відомі ПС, які знайшли застосування в сцинтиляційній техніці, виготовляють на основі полівінілтолуолу (PVT) і полістиролу (PST). Проте, жоден відомий ПС не відповідає одночасно всім перерахованим вимогам, оскільки це є суперечливим завданням. Відомий швидкий ПС марки EJ-232 (інші назви NE111, ВС422) [http://www.cljentechnology.com/index.php/products/plastic-scintillators/68-ej-232], [http://www.eljentechnology.com/index.php/products/plastic-scintillators], на основі полівінілтолуолу (PVT), що містить як первинну люмінесцентну добавку (активатор) 2-phenyl-5-(4-biphenylyl)1,3,4-oxadiazole (PBD) при наступному співвідношенні компонентів [B.Bengtson and M.Moszynski. Study of primary energy transfer process in ultrafast plastic scintillators. /Nuclear Instruments and Methods, v. 155 (1978) pp.221-231], мас. %: 5,0 (40 г/л у PBD вінілтолуолі); полівінілтолуол решта. Сцинтиляційна ефективність цього ПС складає 55 % відносно антрацену, час наростання сцинтиляційного спалаху 0,35 не, об'ємна довжина загасання світла BAL=8 см. [http://www.detectors.saint-gobain.com/Plastic-Scintillator.aspx]. Відомий комерційний ПС марки SCSN-61 на основі полістиролу [Scintillation materials, Catalogue, Kuraray Co. Ltd. (2000)], [http://hadron.kek.jp/~yuasa/SpotScan/Catalog/Kuraray/kurarayfiber.pdf], який виготовляється компанією Kuraray Co. Ltd. (раніше - Kyowa Gas Chemical Industry Co). Виробник не приводить склад ПС, проте відомо [Test of a new polystyrene based scintillators /Nuclear Instruments and Methods in Phisics Research. A311 (1992) p.498-504], що він містить як первинну люмінесцентну добавку 1,0 % 4-phenyl-1-butyne-penta-hidroxy-phenyl (РНВ), а як вторинну люмінесцентну добавку 0.02 % 4,4-Bis-(2.5-dimcthylstyryl)-benzene (BDB) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: (РНВ) 1,0 (BDB) 0,02 основа решта. Сцинтиляційна ефективність цього ПС складає 55 % відн. антр., час висвічення - 2,5 не [Scintillation materials, Catalogue, Kuraray Co. Ltd. (2000)], а зміряний нами час наростання - 0,8 не. Відомий комерційний ПС марки SCSN-81 на основі полістиролу [Scintillation materials, Catalogue, Kuraray Co. Ltd. (2000)], [http://hadron.kek.jp/~yuasa/SpotScan/Catalog/Kuraray/kurarayfiber.pdf], який проводиться компанією Kuraray Co. Ltd. (раніше - Kyowa Gas Chemical Industry Co). Виробник не приводить склад ПС, проте відомо [Test of a new polystyrene based scintillators /Nuclear Instruments and Methods in Phisics Research. A311 (1992) p.498-504], що він містить як первинну люмінесцентну добавку 1,0 % 4-phenyl-1-butyne-penta-hidroxy-phenyl (PI IB), як вторинну люмінесцентну добавку 0.02 % 2,5-bis-2-(5-tetriary-butylbenzoxazolyl)-thiophene (ТВВТ) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: (РИВ) 1,0 (ТВВТ) 0,02 основа решта. Сцинтиляційна ефективність цього 11С складає 50 % відносно антрацену, час висвічення 2,5 не, а зміряний нами час наростання - 0,8 не. Недоліками ПС марок SCSN-61 і SCSN-81 є невелика СЕ і тривалий час наростання сцинтиляційного спалаху. Термін служби перерахованих вище аналогів виробники не указують. Відомий комерційний ПС марки UPS-923A на основі полістиролу [Гринёв Б.В., Сенчишин В.Г. Пластмассовые сцинтилляторы. - Харьков.: Акта, 2003. -324с (див. стор. 316)1, що містить як первинну люмінесцентну добавку паратерфеніл (р-ТР) і як вторинну люмінесцентну добавку 1,4-біс-2-(5-фенілоксазоліл)-бензол (РОРОР) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %:. 1 UA 106857 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 р-ТР 2,0 РОРОР 0,02-0,3 полістирол решта. Сцинтиляційна ефективність UPS-923A складає 56 % відносно антрацену. Час наростання імпульсу - 0,8 не (рівень 0,1-0,9), час висвічення - 2,5 не. Проведені дослідження зміни світлового виходу ПС марки UPS-923A в процесі природного старіння показали [A. Artikov et al. Properties of the Ukraine polystyrene-based plastic scintillator UPS 923A //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 555 (2005) 125-131], що деградація світлового виходу сцинтиляційних детекторів, виготовлених з UPS-923A відбувається в два рази повільніше в порівнянні з трикомпонентним ПС марки NE114 на основі полівінілтолуолу [Каталог фірми Nuclear Enterprises inc. "Scintillation materials", США, 1977]; [http://www.cljcntcchnology.com/indcx.php/products/ plastic-scintillators]. Вимірювання проводилися на зразках ПС у вигляді пластин розмірами 200 × 30 × 2 см. Таким чином, експериментально встановлено, що термін служби ПС на основі полістиролу в два рази більше, ніж у ПС на основі полівінілтолуолу. Недоліком ПС UPS-923A є великий час наростання сцинтиляційного спалаху (0,8 не) в порівнянні з відомими швидкими ПС марок FJ-232, NE111 і ВС422 (0,5 не). У основу справжнього винаходу поставлено задачу створення ПС з підвищеною сцинтиляційною ефективністю, зменшеним часом наростання сцинтиляційного спалаху при зберіганні великого терміну служби Як прототип нами вибраний останній з аналогів - UPS-923A. Вирішення поставленої задачі забезпечується тим, що в ПС на основі полістиролу, що містить первинну люмінесцентну добавку, згідно з винаходом, основа додатково містить трифеніламін, а первинною люмінесцентною добавкою (ЛД1) є 2,5-диметил-1,4-дистирилбензол (DMDSP) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: трифеніламін 35-40 DMDSP 2 полістирол решта. Трифеніламін має достатню розчинність в початковому мономері (стиролі), і має електронно-донорні властивості, що забезпечує збільшення рухливості зарядів в системі трифеніламін-полімерна основа і, як наслідок, швидкий час наростання сцинтиляційного спалаху. Крім того, трифеніламін має нижчий потенціал іонізації в порівнянні з полістиролом (6,8 і 9,2 еВ відповідно), що знижує середній потенціал іонізації системи трифеніламінполістирол і приводить до збільшення загальної кількості утворюваних в треку прольоту високоенергетичної частинки вторинних електронно-іонних пар і, зрештою, до підвищення сцинтиляційної ефективності 11С. Як первинну люмінесцентну добавку в ПС, що заявляється, використовується 2,5-диметил1,4-дистирилбензол (DMDSP), оскільки, як встановлено експериментально, ця речовина забезпечує ПС, що заявляється, найбільшу сцинтиляційну ефективність. Таке поєднання можна пояснити збігом спектральних властивостей DMDSP і комплексної основи полістиролтрифеніламін. Відзначимо, що максимум смуги люмінесценції ПС, що заявляється, знаходиться на довжині хвилі 436 пм, що відповідає максимуму спектральної чутливості більшості фотоелектронних помножувачів (ФЕП). Завдяки поєднанню компонентів в діапазоні концентрацій, що заявляється, пропонований ПС має рекордно високу СЕ для ПС на основі полістиролу, швидкий час наростання сцинтиляційного спалаху і великий термін служби. Зменшення вмісту трифеніламіну менше 35 мас. % приводить до зменшення СЕ до 53 % відн. антрацену і збільшенню часу наростання сцинтиляційного спалаху до 0,58 не (табл. приклад 4). Збільшення вмісту трифеніламіну більше 40 мас. % хоча і приводить до зменшення часу наростання сцинтиляційного спалаху до 0,45 не, але при цьому знижується СЕ до 59 % відн. антрацену (табл. приклад 1), оскільки відбувається погіршення прозорості матеріалу ПС (помутніння) із-за досягнення межі розчинності трифеніламіну в полістиролі. Вміст активатора (первинної добавки) DMDSP є загальноприйнятим. У Таблиці приведені характеристики ПС, що заявляється, порівняно з аналогами і прототипом. ПС, що заявляються, отримують відомим способом термічної полімеризації з подальшою механічною обробкою. У ампулу з термостійкого скла діаметром 18 мм поміщають 40 мас. % (64 г.) трифеніламіну і 2 UA 106857 C2 5 10 15 20 25 30 2 мас. % (3,2 г) DMDSP і додають свіжоперегнаний стирол до загальної маси розчину 160 г. Для повного розчинення добавок ампулу нагрівають до 78 °C і продувають аргоном протягом 6 хв. Після цього ампулу запаюють, поміщають в термостат і при температурі 155 °C витримують 96 годин. Потім термостат охолоджують із швидкістю 5 °C/год. до 40 °C, ампулу виймають, охолоджують до кімнатної температури і витягують заготівку ПС. З отриманої заготівки шляхом механічної обробки отримують готові поліровані зразки ПС у вигляді циліндрів діаметром 16 і заввишки 10 мм. СЕ отриманого зразка ПС складає 65 % відносно антрацену, час наростання сцинтиляційного спалаху - 0,50 не. Приклади з іншим вмістом ПС, що заявляються, приведені в таблиці. Вимірювання СЕ проводили на сцинтиляційній установці з фотоелектронним помножувачем типу R1306 (Hamamatsu). Величину СЕ вимірювали відносно антрацену по ГОСТ 17038.3-79 (Детекторы ионизирующих излучений сцинтилляционные. Метод определения светового выхода по анодному току фотоэлектронного умножителя). Зразки ПС діаметром 16 і заввишки 10 мм збуджували бета-частками радіоактивного джерела Sr-90, оснащеного коліматором. Час наростання сцинтиляційного спалаху вимірювали методом рахунку фотонів на часовому старт-стопному спектрометрі з двома ФЕН Hamamatsu R9800. Один ФЕН реєстрував сигнал від детектора Черепкова і формував стартовий імпульс. Другий ФЕП працював в однофотонном режимі і реєстрував однофотонный сигнал від вимірюваного зразка ПС. Вимірювання проводили на пучку бета-часток радіоактивного джерела Sr-90, оснащеного коліматором. Як випливає з Таблиці, найкращим поєднанням параметрів має ПС, що заявляється, із вмістом 40 мас. % трифеніламіну і 2 мас. % DMDSP (табл. приклад 2), оскільки він має сцинтиляційну ефективність 65 % відносно антрацену, що в 1,15 разу більше прототипу (55 % відн. антр.) і час наростання сцинтиляційного спалаху ф = 0,50 не, що в 1,6 разу швидше, ніж у прототипу (0,8 не). Таким чином, в межах параметрів, що заявляються, пропонований ПС має більшу сцинтиляційну ефективність і швидше наростання сцинтиляційного спалаху ф = 0,50 не (приклади 2 і 3) в порівнянні з прототипом. Вихід за граничні значення параметрів (приклади 1 і 4), що - заявляються, приводить до помітного зменшення сцинтиляційної ефективності і збільшення часу наростання сцинтиляційного спалаху. Таблиця Зразок ПС Приклад 1 ПС, що заявляється Приклад 2 ПС, що заявляється Приклад 3 ПС, що заявляється Приклад 4 ПС, що заявляється Прототип UPS923A Аналог ВС422 (NE111) Склад Пс*, мас. % Полімерна Неполімерна частина частина Л Д1 основи основи ЛД2 Час СЕ* % наростання відн.антр. не Примітка PST 53 % Трифеніламін DMDSP не має 45 % 2% 0.45 59 Каламутний PST 58 % Трифеніламін DMDSP не має 40 % 2% 0.50 65 Оптимальний склад PST 63 % Трифеніламін DMDSP не має 35 % 2% 0.53 62 PST 68 % Трифеніламін DMDSP не має 30 % 2% 0.58 53 РОРОР 0,02 % 0.8 57 не має 0.35 55 PST 53 % РУТ 95 % не має не має р-ТР 2% PBD 5% Великий час наростання Недовгий термін служби * - Сцинтиляційна ефективність зміряна відносно антрацену. Погрішність вимірювань - 1 %. У таблиці використані наступні позначення: PST - полістирол; РVТ - полівінілтолуол; PBD-2-phenyl-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole; р-ТР - паратерфеніл; РОРОР - 1,4-Bis-2-(5-phenyloxazolyl) -benzene. 3 UA 106857 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Пластмасовий сцинтилятор на основі полістиролу, що містить первинну люмінесцентну добавку, який відрізняється тим, що основа додатково містить трифеніламін, а первинною люмінесцентною добавкою є 2,5-диметил-1,4-дистирилбензол (DMDSP) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: трифеніламін DMDSP полістирол 35-40 2 решта. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4