Радіаційно стійкий пластмасовий сцинтилятор

Реферат: Винахід належить до сцинтиляційної техніки, а саме: до радіаційно стійких пластмасових сцинтиляторів, які призначені для експлуатації в умовах підвищених радіаційних навантажень. Сцинтилятор містить, мас. %: 2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-он 1-1,5, підсилювач дифузії 4-ізопропілдифеніл 25, зшиваючий агент 4,4'-дивінілдифеніл 3 та ініціатор полімеризації 2,2'-азобісізобутиронітрил 0,02, полістирол - решта. Технічний результат: доза половинного ослаблення світлового виходу D1/2=16,4 Мрад та максимум люмінесценції на довжині хвилі 550 нм зі збереженням мікротвердості. UA 113374 C2 (12) UA 113374 C2 UA 113374 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до сцинтиляційної техніки, а саме, до радіаційно стійких пластмасових сцинтиляторів (ПС), які призначені для експлуатації в умовах підвищених радіаційних навантажень. В даний час для досліджень на пучках часток високих енергій в потужнострумових прискорювачах потрібно створення ПС з підвищеною радіаційною стійкістю більше ніж у існуючих аналогів, які мають спектральну сумісність з кремнієвими фотоприймачами, область чутливості яких знаходиться на довжині хвилі від 500 нм до 1000 нм, та достатню для високоякісного полірування механічну міцність більше ніж 100 МПа. Для характеристики величини радіаційної стійкості ПС в літературі зазвичай використовується відношення світлового виходу, виміряного відразу після опромінення ПС (L) та неопроміненого ПС (L0), тобто L/L0. При цьому різні автори використовують різні дози опромінення та зразки ПС різної форми. Тому для коректного порівняння величин радіаційної стійкості ПС, отриманих різними авторами, зручніше використовувати дозу половинного ослаблення світлового виходу (D1/2, МРад), яка не залежить від дози опромінення і може бути розрахована, якщо відомо значення L/L0 і доза опромінення [J.B. Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting, Pergamon Press, London, (1964) з 212]. Для коректного порівняння радіаційної стійкості сцинтиляторів, форма опромінюваних зразків повинна бути подібною, а висота повинна бути однаковою, зазвичай це поліровані циліндри висотою 10 мм та діаметром від 15 мм до 40 мм. Також, при зменшенні потужності дози, результат виміру дози половинного ослаблення значно зростає, тому потужність дози при вимірюваннях для всіх зразків повинна бути однакова [V.G. Senchishin, V.N. Lebedev, A.F. Adadurov, I.I. Zalyubovski, A.V. Lebedev, N.P. Khlapova., Radiation resistance investigation of SCSN-81T, ВС-408, UPS923A and UPS98RH plastic scintillators-Functional materials-2003-V. 10 - № 2-P. 281-286]. Відомий склад радіаційно стійкого ПС [Britvich G.I., Peresypkin A.I., Rykalin V.I., Vasil'chenko V.G., Kornilovskaya L.D., Malinovskaya S.A., Skripkina V.T., Shershukov V.M., Yushko E.G., Kulichenko A.V., Pyshchev A.I. Radiation damage studies on polystyrene-based scintillators-Nucl. Ins. Meth. In Phys. Res. A. – 1993-V. 326-P. 483-488] на основі полістиролу, мас. %: пара-терфеніл 2 3-гідрокси-2-феніл-4Н-хромен-4он 0,025 полістирол решта. Вимірювання радіаційної стійкості проводилось на зразках діаметром 25 мм та висотою 5 мм, які опромінювали в повітрі джерелом Cs-137 з потужністю дози 20 крад/год. Максимум люмінесценції цього ПС знаходиться на довжині хвилі 530 нм, мікротвердість - 120 Мпа. Розрахована з приведених даних доза половинного ослаблення для цих ПС дорівнює D1/2=6,1 Мрад. Відомий радіаційно стійкий ПС на основі полістиролу [Bross A.D., Pla-Dalmau A. Radiation effects in intrinsic 3HF scintillator-Nucl. Ins. Meth. In Phys. Res. – 1993-A327-Issue 2-3-P. 337-345], який вміщує первинну добавку - 3-гідрокси-2-феніл-4Н-хромен-4-он (3-гідроксифлавон) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 3-гідрокси-2-феніл-4Н0,05-2 хромен-4-он полістирол решта. Виготовлені за відомим складом зразки ПС мають дозу половинного ослаблення при концентрації 3-гідроксифлавону на рівні 2 мас. % D1/2=8,3 Мрад. Максимум люмінесценції цього ПС знаходиться на довжині хвилі 530 нм, мікротвердість - 120 МПа. Загальним недоліком вказаних аналогів є недостатня радіаційна стійкість, яка потрібна для досліджень на пучках часток високих енергій в потужнострумових прискорювачах. Відомий радіаційно стійкий ПС на основі полістиролу [Velmozhnaya E.S., Gurkalenko Yu.A., Eliseev D.A., Zhmurin P.N., Lebedev V.N., Pereymak V.N., The mechanical strength advance of radiation-hard plastic scintillators with diffusion enhancers-Functional materials – 2015-V. 22 - № 4-P. 494-498] який містить первинну люмінесцентну добавку (2-(4-феніл)-5-(4-дифенілен)-оксадіазол1,3,4 (PBD), вторинну люмінесцентну добавку 1,4-ди(2-(5-фенілоксазоліл))-бензол (РОРОР), підсилювач дифузії 4-ізопропілдифеніл, зшиваючий агент - 4,4'-дивінілдифеніл (BVBP), ініціатор полімеризації - 2,2'-азобісізобутиронітрил (AIBN), при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: (2-(4-феніл)-5-(4-дифенілен)1,3,4-2 оксадіазол 1,4-ди(2-(5-фенілоксазоліл))0,1 бензол 1 UA 113374 C2 5 10 15 20 25 30 4-ізопропілдифеніл 25 4,4'-дивінілдифеніл 3-10 2,2'-азобісізобутиронітрил 0,02 полістирол решта. Виготовлені за відомим складом зразки ПС мають дозу половинного ослаблення при концентрації 4,4'-дивінілдифенілу на рівні 5 мас. % D1/2=7,3 Мрад. Максимум люмінесценції цього ПС знаходиться на довжині хвилі 420 нм. Мікротвердість цих ПС дорівнює 107 МПа. Відомий ПС призначений для фотоелектронних помножувачів, максимум чутливості яких знаходиться на довжині хвилі 420 нм. Як прототип за складом вибрано останній з наведених аналогів. В основу винаходу поставлено задачу розробки радіаційно стійкого ПС для досліджень на пучках часток високих енергій в потужнострумових прискорювачах зі збереженням мікротвердості. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що ПС на основі полістиролу, який містить первинну люмінесцентну добавку, підсилювач дифузії - 4-ізопропілдифеніл, зшиваючий агент 4,4'-дивінілдифеніл (BVBP), ініціатор полімеризації - 2,2'-азобісізобутиронітрил (AIBN), згідно винаходу, як первинну люмінесцентну добавку містить 2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-3-гідрокси-4Нхромен-4-он (BP-3HF), при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-31-1,5 гідрокси-4Н-хромен-4-он 4-ізопропілдифеніл 25 4,4'-дивінілдифеніл 3 2,2'-азобісізобутиронітрил 0,02 полістирол решта. У ході досліджень було визначено оптимальний вміст компонентів в ПС, який дозволяє отримати радіаційно стійкий ПС для досліджень на пучках часток високих енергій в потужнострумових прискорювачах з максимумом люмінесценції на довжині хвилі 550 нм. Застосування 2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-ону (ВР-3HF) як первинну добавку в складі ПС сприяє підвищенню радіаційної стійкості ПС. Молекула BP-3HF має максимум люмінесценції на довжині хвилі 550 нм, що дозволяє уникати поглинання світла продуктами радіолізу. Як показали випробування, зменшення вмісту первинної добавки менше 1 мас. % призводить до значного зменшення радіаційної стійкості ПС D1/2=11,5 Мрад (табл., приклад 4). Збільшення концентрації первинної добавки більше ніж 1,5 мас. % перевищує її межу розчинності у стиролі з 25 мас. % 4-ізопропілдифенілу (ІРВР). Зменшення вмісту підсилювача дифузії менше ніж 25 мас. % призводить до значного зменшення радіаційної стійкості до D1/2=9,8 Мрад (табл., приклад 2). Збільшення вмісту підсилювача дифузії більше ніж 25 мас. % призводить до збільшення радіаційної стійкості до D1/2=19,2 Мрад, але при цьому спостерігається значне зниження мікротвердості HV=85 МПа (табл., приклад 3) та зниження довготривалої стабільності, а саме протягом двох місяців об'єм ПС стає каламутним. 2 UA 113374 C2 Таблиця Первинна Доза Зшиваючий Підсилювач Максимум люмінесцентна половинного Мікротвердість, Зразок ПС агент, дифузії, люмінесценції, добавка, ослаблення, МПа мас. % мас. % нм мас. % Мрад Приклад 1 2 25 1,5 % BP-3HF 17,5 550 80 Приклад 2 3 20 1,5 % BP-3HF 9,8 550 125 Приклад 3 5 30 1,5 % BP-3HF 19,2 550 85 Приклад 4 3 25 0,5 % BP-3HF 11,5 550 105 Приклад 5. ПС, що 3 25 1 % BP-3HF 15,8 550 105 заявляється Приклад 6. ПС, що 3 25 1,5 % BP-3HF 16,4 550 105 заявляється Приклад 7 5 25 1,5 % BP-3HF 15,0 550 149 Аналог* 0 0 2 % 3HF 8,3 530 120 BP-3HF-2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-он; 3HF-3-гідрокси-2-феніл-4Н-хромен-4-он. * [Bross A.D., Pla-Dalmau A. Radiation effects in intrinsic 3HF scintillator-Nucl. Ins. Meth. In Phys. Res. – 1993-A327-Issue 2-3-P. 337-345] 5 10 15 20 25 30 35 Зменшення вмісту зшиваючого агенту менше ніж 3 мас. % призводить до зниження мікротвердості HV=80 МПа (табл., приклад 1). Збільшення вмісту зшиваючого агенту більше ніж 3 мас. % призводить до зниження радіаційної стійкості до Di/2=15,0 МПа (табл., приклад 7). Вміст ініціатору полімеризації є загальноприйнятим. Вихід за граничні значення параметрів складу ПС, що заявляються, призводить до зниження радіаційної стійкості (таблиця, приклади 2, 4, 7), зниження мікротвердості (таблиця, приклади 1, 3) та перевищенню межі розчинності первинної добавки у стиролі. У таблиці наведені дані про вміст та дозу половинного ослаблення світлового виходу, довжину хвилі випромінювання та мікротвердість ПС, що заявляється, та найкращого аналогу. Радіаційно стійкий пластмасовий сцинтилятор, що заявляється, отримують відомим способом термічної полімеризації з механічною обробкою за наступним прикладом. Приклад. Отримання радіаційно стійкого пластмасового сцинтилятора. В ампулу з термостійкого скла діаметром 20 мм із свіжоперегнаним стиролом (7 г) додають 3 мас. % (0,3 г) 4,4'-дивінілдифенілу (BVBP), 25 мас. % (2,5 г) 4-ізопропілдифенілу (ІРВР), 1,5 мас. % (0,15 г) 2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-ону(ВР-3НF), 0,02 мас. % (0,002 г) 2,2'-азобісізобутиронітрилу (AIBN). Приготовану реакційну суміш розчиняють при температурі 70 °C. Для видалення слідів кисню реакційну суміш продувають аргоном протягом 15 хв, ампули запаюють та установлюють в термостат, розігрітий до 150 °C. Полімеризацію проводять протягом 5 діб. Охолоджену ампулу розбивають та з отриманої заготовки виготовляють зразки ПС у вигляді полірованих циліндрів діаметром 16 мм і висотою 10 мм. Вимірюють наступні характеристики: світловий вихід відносно стандартного зразка UPS 923A, виготовленого на основі лінійного полістиролу без наповнювача, який містить дві люмінесцентні добавки - 2 % пара-терфеніл та 0,1 % - 1,4-біс-2-(5-фенілоксазоліл)-бензол (РОРОР), мікротвердість та радіаційну стійкість (таблиця, приклад 6). Світловий вихід вимірюють на сцинтиляційному спектрометрі, виконаному в стандарті С AM AC. Сигнал від анода фотоелектронного помножувача (ФЕП) Hamamatsu R669 подається безпосередньо на вхід цифрового перетворювача заряду QDC LeCroy 2249А. Світловий вихід ПС визначають по піку моноенергетичних електронів з енергією 975 кеВ від радіоізотопного джерела електронів Ві-207. Величину світлового виходу ПС вимірюють відносно UPS 923A. Для вимірювання радіаційної стійкості зразки ПС опромінюють гамма-випромінюванням радіонукліду Со-60 при потужності дози 47 рад/хв в повітряному середовищі при температурі 18 °C. Світловий вихід опромінених зразків ПС вимірюють одразу після набору необхідної дози опромінення. Мікротвердість зразків ПС визначають по методу Віккерса на мікротвердомірі ПМТ-3. Приклади з іншим вмістом інгредієнтів наведені у таблиці. 3 UA 113374 C2 Таким чином, поєднання компонентів у складі ПС, що заявляється, дозволяє створити сцинтиляційну композицію, яка має дозу половинного ослаблення світлового виходу D 1/2=16,4 Мрад, що більше, ніж у найкращого з аналогів у два рази, та максимум люмінесценції на довжині хвилі 550 нм зі збереженням мікротвердості. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Радіаційно стійкий пластмасовий сцинтилятор на основі полістиролу, який містить первинну люмінесцентну добавку, підсилювач дифузії 4-ізопропілдифеніл, зшиваючий агент 4,4'дивінілдифеніл, ініціатор полімеризації - 2,2'-азобісізобутиронітрил, який відрізняється тим, що як первинну люмінесцентну добавку містить 2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-он, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 2-([1,1'-біфеніл]-4-іл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-он 1-1,5 4-ізопропілдифеніл 25 4,4'-дивінілдифеніл 3 2,2'-азобісізобутиронітрил 0,02 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