Пластмасовий сцинтилятор

Реферат: Винахід належить до сцинтиляційної техніки, а саме до пластмасових сцинтиляторів, які використовуються для створення детекторів іонізуючих випромінювань в експериментах з фізики високих енергій. Пластмасовий сцинтилятор на основі полістиролу з аморфною добавкою містить первинну люмінесцентну добавку. Як аморфну добавку основи містить толілкарбазол, а як первинну люмінесцентну добавку - 1,4-біс-2-(5-фенілоксазоліл)-бензол (РОРОР), при певному співвідношенні компонентів. Технічним результатом є створення сцинтилятора з підвищеною сцинтиляційною ефективністю і зменшеним часом наростання сцинтиляційного спалаху. UA 111126 C2 (12) UA 111126 C2 UA 111126 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 з фізики високих енергій. В даний час сцинтиляційна техніка вимагає створення ПС з високою сцинтиляційною ефективністю (СЕ) і субнаносекундним часом наростання сцинтиляційного спалаху. Перераховані вимоги пред'являються до ПС при їх використанні в швидких системах відбору подій електромагнітних калориметрів, коли необхідно реєструвати рідкісні частинки високих енергій при 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). Однак, жоден відомий ПС не відповідає одночасно всім перерахованим вимогам, оскільки це є суперечливою задачею. Відомо, що для зменшення часу наростання сцинтиляційного спалаху до складу ПС необхідно ввести велику кількість активатора (тобто первинної люмінесцентної добавки (ЛД1). Однак, це призводить до зменшення сцинтиляційної ефективності ПС. Наприклад, відомий швидкий ПС марки EJ-232 (інші назви NE111, ВС422) [http://www.eljentechnology.com/index.php/products/plastic-scintillators/68-EJ-232], [http://www.eljentechnology.com/index.php/products/plastic-scintillators], на основі полівінілтолуолу (PVT), що містить в якості первинної люмінесцентної добавки (активатора) 2-phenyl-5-(4biphenylyl)-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) PVT решта. Час наростання сцинтиляційного спалаху цього ПС від рівня 0,1 до 0,9 становить 0,35 нс, а сцинтиляційна ефективність - 55 % відносно антрацену, що менше, ніж у ПС загального застосування типу ВС-408 або EJ-200 (СЕ=67 % відносно антрацену) [http://www.detectors.saintgobain.com/Plastic-Scintillator.aspx]. Відомий також 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 виробляється компанією Kuraray Co. Ltd. (раніше - Kyowa Gas Chemical Industry Co). Виробник не наводить складу 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 мас. % 4-phenyl-1-butyne-penta-hidroxy-phenyl (РНВ), а як вторинну люмінесцентну добавку 0,02 мас. % - 4, 4-Bis-(2.5-dimethylstyryl)-benzene (BDB) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: РНВ 1,0 BDB 0,02 основа решта. Сцинтиляційна ефективність цього ПС становить 55 % відн. антр., час висвічування - 2,5 нс [Scintillation materials, Catalogue, Kuraray Co. Ltd. (2000)], а виміряний нами час наростання складає 0,8 нс (від рівня 0,1 до 0,9). 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 складу ПС, проте відомо [Test of a new polystyrene based scintillators / Nuclear Instruments and Methods in Phisics Research. А311 (1992) p. 498-504], що він містить як первинну люмінесцентну добавку 1,0 мас. % 4-phenyl-1-butyne-penta-hidroxy-phenyl (РНВ), як вторинну люмінесцентну добавку - 2,5-бic-2-(5-tetriary-butylbenzoxazolyl)-thiophene (TBBT), при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: РНВ 1,0 ТВВТ 0,02 основа решта. Сцинтиляційна ефективність цього ПС становить 50 % відносно антрацену, а виміряний нами час наростання складає 0,8 нс (рівень 0,1-0,9). Недоліками ПС марок SCSN-61 і SCSN-81 є невелика СЕ і тривалий час наростання сцинтиляційного спалаху. Відомий комерційний ПС марки UPS-923A на основі полістиролу [Гриньов Б.В., Сенчишин В.Г. Пластмасові сцинтилятори. - Харків.: Акта, 2003. - 324 с. (див. стор. 316)], який містить як 1 UA 111126 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 первинну люмінесцентну добавку паратерфеніл (р-ТР) і як вторинну люмінесцентну добавку 1,4-біс-2-(5-фенілоксазоліл)-бензол (РОРОР) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: р-ТР 2,0 РОРОР 0,02-0,3 полістирол решта. Сцинтиляційна ефективність UPS-923A становить 56 % відносно антрацену. Час наростання імпульсу складає 0,8 нс (рівень 0,1-0,9), час світіння - 2,5 нс. Недоліком ПС UPS-923A є великий час наростання сцинтиляційного спалаху (0,8 нс) порівняно з відомими швидкими ПС марок EJ-232, NE111 і ВС422 (0,5 нс). Відомий ПС на основі полістиролу [пат. № 106857, Україна, G01T 1/203] з трифеніламіном (аморфною добавкою до основи), який як первинну люмінесцентну добавку містить 2,5диметил-1,4-дистирилбензол (DMDSP), при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: трифеніламін 35-40 DMDSP 2,0 полістирол решта. Цей ПС має сцинтиляційну ефективність 65 % щодо антрацену і час наростання сцинтиляційного спалаху τ=0,50 нс (рівень 0,1-0,9). У порівнянні з відомими швидкими ПС марок EJ-232, NE111 і ВС422 цей ПС має більш високу сцинтиляційну ефективність. Однак, час наростання сцинтиляційного спалаху знаходиться на рівні відомих швидких ПС (0,5 нс). Тобто недоліком цього ПС також є великий час наростання сцинтиляційного спалаху, що не дозволяє поліпшити параметри сучасних сцинтиляційних спектрометрів. В основу даного винаходу поставлена задача створення ПС з підвищеною сцинтиляційною ефективністю і зменшеним часом наростання сцинтиляційного спалаху. Як прототип нами вибраний останній з аналогів. Вирішення поставленої задачі забезпечується тим, що пластмасовий сцинтилятор на основі полістиролу з аморфною добавкою містить первинну люмінесцентну добавку, згідно з винаходом, як аморфну добавку до основи він містить толілкарбазол, а як первинну люмінесцентну добавку - 1,4-біс-2-(5-фенілоксазоліл)-бензол (РОРОР) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: толілкарбазол 35-40 РОРОР 1,0 полістирол решта. Толілкарбазол має достатню розчинність у мономері (стиролі), що використовується, і має різко виражені електронно-донорні властивості, що забезпечує збільшення рухливості зарядів в системі толілкарбазол - полімерна основа і, як наслідок, швидкий час наростання сцинтиляційного спалаху. Крім того, толілкарбазол має більш низький потенціал іонізації (5,6 еВ) в порівнянні з трифеніламіном і полістиролом (6,8 і 9,2 еВ відповідно), що значно знижує середній потенціал іонізації системи толілкарбазол - полістирол і призводить до збільшення загальної кількості утворених в треку прольоту високоенергетичної частинки вторинних електронно-іонних пар і, в кінцевому підсумку, до підвищення сцинтиляційної ефективності ПС. Як первинну люмінесцентну добавку в ПС, що заявляється, використовується РОРОР, оскільки, як встановлено експериментально, ця речовина забезпечує ПС, що заявляється, найбільшу сцинтиляційну ефективність. Мабуть, таке поєднання можна пояснити збігом спектральних властивостей РОРОР та комплексної основи полістирол - толілкарбазол. Відзначимо, що максимум смуги люмінесценції ПС, що заявляється, знаходиться на довжині хвилі 420 нм, що відповідає максимуму спектральної чутливості більшості фотоелектронних помножувачів (ФЕП). Зменшення вмісту толілкарбазолу менше 35 мас. % Призводить до зменшення СЕ до 69 % відносно антрацену і збільшення часу наростання сцинтиляційного спалаху до 0,34 нс (табл. приклад 4). Збільшення вмісту толілкарбазолу більше 40 мас. % хоча і призводить до зменшення часу наростання сцинтиляційного спалаху до 0,26 нс, але при цьому знижується СЕ до 72 % відн. антрацену (табл. приклад 1), тому що відбувається погіршення прозорості матеріалу ПС (помутніння) через досягнення межі розчинності толілкарбазолу в полістиролі. Вміст активатора (первинної люмінесцентної добавки РОРОР) є загальноприйнятим. У Таблиці наведені характеристики заявлюваного ПС в порівнянні з аналогами і прототипом. Заявлюваний ПС отримують відомим способом термічної полімеризації з наступною механічною обробкою. 2 UA 111126 C2 5 10 15 20 25 30 В ампулу з термостійкого скла діаметром 18 мм поміщають 40 мас. % (64 г) толілкарбазолу і 1 мас. % (1,6 г) РОРОР 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 зі швидкістю 5 °C/год. до 40 °C, ампулу виймають, охолоджують до кімнатної температури і витягують заготовку ПС. З отриманої заготовки шляхом механічної обробки отримують готові поліровані зразки ПС у вигляді дисків діаметром 16 і товщиною 5 мм для вимірювання СЕ, і діаметром 10 і висотою 0,5 мм для вимірювання часу наростання. СЕ отриманого зразка ПС становить 79 % щодо антрацену, а час наростання сцинтиляційного спалаху від рівня 0,1 до 0,9 складає 0,29 нс. Приклади з іншим змістом ПС, що заявляється, наведені в таблиці. Вимірювання СЕ проводили на сцинтиляційній установці з фотоелектронним помножувачем типу R1307 (Hamamatsu). Величину світлового виходу вимірювали за ГОСТ 17038.3-79 (Детектори іонізуючих випромінювань сцинтиляційні. Метод визначення світлового виходу по анодному потоку фотоелектронного помножувача). Зразки ПС збуджували бета-частками радіоактивного джерела Sr-90, оснащеного коліматором. Час наростання сцинтиляційного спалаху вимірювали методом підрахунку фотонів на часовому старт-стопному спектрометрі з двома ФЕП Hamamatsu R9800. Один ФЕП реєстрував сигнал від детектора Черенкова і формував стартовий імпульс. Другий ФЕП працював в однофотонному режимі і реєстрував однофотонний сигнал від вимірюваного зразка ПС, який був виготовлений у вигляді полірованого диска діаметром 10 і товщиною 0,5 мм. Вимірювання проводили на колімованому пучку бета-частинок від радіоактивного джерела Sr-90. Як випливає з таблиці, найкраще поєднання параметрів має ПС, що заявляється, з вмістом 40 мас. % толілкарбазолу і 1,0 мас. % РОРОР (табл. приклад 2), так як він має сцинтиляційну ефективність 79 % щодо антрацену, що в 1,22 разу більше прототипу (65 % відносно антрацену) і час наростання сцинтиляційного спалаху від рівня 0,1 до 0,9, дорівнює 0,29 нс, що в 1,72 разу швидше, ніж у прототипі (0,5 нс). Вихід за граничні значення параметрів, що заявляються (приклади 1 і 4), призводить до помітного зменшення сцинтиляційної ефективності та збільшення часу наростання сцинтиляційного спалаху. Таким чином, завдяки поєднанню компонентів в діапазоні концентрацій, що заявляються, пропонований швидкий ПС має рекордно високі значення СЕ і швидкості наростання сцинтиляційного спалаху в порівнянні з прототипом і відомими аналогами. Таблиця Зразок ПС Зразок 1 Заявлюваний ПС Зразок 2 Заявлюваний ПС Зразок 3 Заявлюваний ПС Зразок 4 Заявлюваний ПС Аналог UPS923A Аналог BC422 (NE111) Прототип ПС с трифеніламіном Склад ПС*, мас. % Неполімерна Полімерна частина ЛД1 частина основи основи PST Толілкарбазол РОРОР 54 % 45 % 1% PST Толілкарбазол РОРОР 59 % 40 % 1% PST Толілкарбазол РОРОР 64 % 35 % 1% PST Толілкарбазол РОРОР 69 % 30 % 1% PST р-ТР немає 53 % 2% PVT PBD немає 95 % 5% PST Трифеніламін DMDSP 58 % 40 % 2% Час СЕ**, % Наростання*, відн.антр. ЛД2 нс Примітка немає 0,26 72 Мутний немає 0,29 79 Оптимальний склад немає 0,31 75 немає 0,34 65 РОРОР 0,02 % 0,8 57 немає 0,35 55 немає 0,50 65 Великий час наростання Невеликі СЕ і термін служби Великий час наростання * - Час наростання сцинтиляційного імпульсу від рівня 0,1 до 0,9; ** - Сцинтиляційна ефективність виміряна відносно антрацену. Похибка вимірювань - 1 %. 35 В таблиці використані наступні позначення: PST - полістирол; PVT - полівінілтолуол; PBD-2феніл-5-(4-біфеніліл)-1,3,4-оксадіазол; DMDSP-2,5-диметил-1,4-дистирилбензол; р-ТР паратерфеніл; РОРОР - 1,4-біс-2-(5-фенілоксазоліл)-бензол. 3 UA 111126 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Пластмасовий сцинтилятор на основі полістиролу з неполімерною аморфною добавкою, який містить первинну люмінесцентну добавку, який відрізняється тим, що як аморфну добавку основи він містить толілкарбазол, а як первинну люмінесцентну добавку - 1,4-біс-2-(5фенілоксазоліл)-бензол (РОРОР), при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: толілкарбазол 35-40 РОРОР 1,0 полістирол решта. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4