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. Пластмасовий сцинтилятор (ПС), який містить, мас. %: 2-(4-фторфеніл)-3-гідрокси-4Н-хромен4-он 1-1,5, 4-ізопропілдифеніл 25, 4,4'-дивінілдифеніл 3, 2,2'-азобісізобутиронітрил 0,02, полістирол - решта. Технічний результат: підвищення радіаційної стійкості ПС та фотостійкості. UA 113605 C2 (12) UA 113605 C2 UA 113605 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) p. 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, BC-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. %: паратерфеніл 2 3-гідрокси-2-феніл-4Н-хромен-4-он 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 D 1/2=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. 337345], який вміщує первинну добавку - 3-гідрокси-2-феніл-4Н-хромен-4-он (3-гідроксифлавон) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 3-гідрокси-2-феніл-4Н-хромен-4-он 0,05-2 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)оксадіазол-1,3,4 (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)-оксадіазол-1,3,4 2 1,4-ди(2-(5-фенілоксазоліл))-бензол 0,1 4-ізопропілдифеніл 25 4,4'-дивінілдифеніл 3-10 2,2'-азобісізобутиронітрил 0,02 полістирол pешта. 1 UA 113605 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 з винаходом, як первинну люмінесцентну добавку містить 2-(4-фторфеніл)-3-гідрокси-4Н-хромен4-он (F-3HF), при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 2-(4-фторфеніл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-он 1-1,5 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 530 нм. Застосування 2-(4-фторфеніл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-ону (F-3HF) як первинної добавки в складі ПС сприяє підвищенню радіаційної стійкості ПС, за рахунок того, що молекула F-3HF має високу фотостійкість, та максимум люмінесценції на довжині хвилі 530 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=25,9 Мрад (табл., приклад 4). Збільшення концентрації первинної добавки більше ніж 1,5 мас. % недоцільне, оскільки 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=22,1 Мрад (табл., приклад 2). Збільшення вмісту підсилювача дифузії більше ніж 25 мас. % призводить до збільшення радіаційної стійкості до D1/2=43,2 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. Зменшення вмісту зшиваючого агента менше ніж 3 мас. % призводить до зниження мікротвердості HV=80 МПа (табл., приклад 1). Збільшення вмісту зшиваючого агента більше ніж 3 мас. % призводить до зниження радіаційної стійкості до D1/2 - 33,8 Мрад (табл., приклад 7). Вміст ініціатора полімеризації є загальноприйнятим. Вихід за граничні значення параметрів складу ПС, що заявляються, приводить 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, максимум люмінесценції та мікротвердість ПС, що заявляється, та найкращого за параметрами аналога. 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-(4-фторфеніл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-он (F-3HF), 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 923 А, виготовленого на основі лінійного полістиролу без наповнювача, який містить дві 2 UA 113605 C2 5 10 15 люмінесцентні добавки - 2 % паратерфеніл 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 САМАС. Сигнал від анода фотоелектронного помножувача (ФЕП) Hamamatsu R669 подається безпосередньо на вхід цифрового перетворювача заряду QDC LeCroy 2249A. 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 923А. 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. Таким чином, поєднання компонентів у складі ПС, що заявляється, дозволяє створити сцинтиляційну композицію, яка має дозу половинного ослаблення світлового виходу D 1/2=37,0 Мрад, що більше ніж у два рази від найкращого аналога, та максимум люмінесценції на довжині хвилі 530 нм зі збереженням мікротвердості. 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 %F-3HF 39,5 530 80 Приклад 2 3 20 1,5 %F-3HF 22,1 530 125 Приклад 3 5 30 1,5 %F-3HF 43,2 530 85 Приклад 4 3 25 0,5 % F-3HF 25,9 530 105 Приклад 5. ПС, що 3 25 1 % F-3HF 35,6 530 105 заявляється Приклад 6. ПС, що 3 25 1,5 %F-3HF 37,0 530 105 заявляється Приклад 7 5 25 1,5 %F-3HF 33,8 530 149 Аналог* 0 0 2 % 3FIF 8,3 530 120 F-3HF-2-(4-фторфеніл)-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. - L993-A327-Issue 2-3-P. 337-345]. 20 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 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-(4-фторфеніл)-3-гідрокси-4Н-хромен-4-он, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: 2-(4-фторфеніл)-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 Т. Вахричева 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 3 UA 113605 C2 4