Пластмассовый сцинтиллятор

 

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники , а именно к пластмассовым сцинтилляторам. Целью изобретения является уменьшение длительности сцинтилляционного импульса и повышение светового выхода. Быстродействующий пластмассовый сцинтиллятор содержит поли-2.4-диметилстирол и люминесцирующую добавку 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бензол в количестве 1,8-2,0 мас.%. Предлагаемый состав пластмассового сцинтиллятора имеет длительность сцинтилляционного импульса 0,6-0,63 не и световой выход 0,55-0,57 уесв. 1 табл. СО с агностике термоядерного синтеза, при определении времени жизни позитронов по фронтам нарастания гамма-сцинтилляций и в ряде других задач. К быстродействующим пластмассовым Сцинтилляторам предъявляется основное требование - высокое временное разрешение , дающее возможность максимально точного определения координаты попадао ю 2 XI 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 Т 1/203

ri

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ (21) 4813573/25 (22) 12.04.90 (46) 15.04.93. Бюл. М 14 (71) Научно-производственное объединение

"Монокристаллреактив" (72) И.В.Копина, Л.Ш.Афанасиади, О.А,Гундер, Н.З.Галунов и О.Г.Корнеева (56) Каталог фирмы "Nuclear Enterprises

Umlted, 1977, М 109, с.З, Барашков Н.Н„Гундер О.А. Флуоресцирующие полимеры. М.: ХИмия, 1987, с. 183.

ГОСТ 23077-78. Детекторы ионизирующих излучений. Сцинтилляционнйе термины, определения и буквенные обозначения, — 01.07.79.

Авторское свидетельство СССР

М 540507. кл. G 01 Т 1/203, 1974.

Каталог "Органические люминофоры и люминесцентные материалы". Черкассы, 1983, с.7.

Галунов Н.З. (к вопросу об измерениях параметров кинематики сцинтилляций в на-. но- и субнаносекундном диапазонах). Методы получения и исследования монокристаллов и сцинтилляторов;. Харьков, 1980, N. 5, с104 — 1 10.

Авторское свидетельство СССР

М 735085, кл. G 01 Т 1/203, 1978, Предлагаемое изобретение относится к созданию материалов для сцинтилляционной техники, а именно к пластмассовым сцинтилляторам (ПС) с малым временем высвечивания.

Сцинтилляторы, обладающие высоким временным разрешением, в технике называют быстродействующими, Такие пластмассовые сцинтилляторы используются в рентгеновской и гамма-астрономии, при дим Ы, 1á9Î478 А1 (54) ПЛАСТМАССОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯТОР (57) Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к пластмассовым сцинтилляторам.

Целью изобретения является уменьшение длительности сцинтилляционного импульса и повышение светового выхода. Быстродействующий пластмассовый сцинтиллятор содержит поли-2.4-диметилстирол и люминесцирующую добавку 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бензол в количестве 1.8 — 2.0 мас. .

Предлагаемый состав пластмассового сцинтиллятора имеет длительность сцинтилляционного импульса 0,6-0,63 нс и световой выход 0,55 — 0,57 уесв..1 табл. агностике термоядерного синтеза, при определении времени жизни позитронов по фронтам нарастания гамма-сцинтилляций и в ряде других задач, К быстродействующим пластмассовым

Сцинтилляторам предъявляется основное требование — высокое временное разрешение, дающее возможность максимально точного определения координаты попада1690478 ния частицы в сцинтиллятор и возможность работы в условиях больших загрузок.

Основной характеристикой быстродействующих пластмассовых сцинтилл яторов является время высвечивания, Длительность сцинтилляционного импульса (время высвечивания) определяется временем переноса энергии электронного возбуждения от полимерной основы к излучающей добавке и временем жизни возбужденного состояния Молекул этой добавки.

В ряде ядерно-физических задач необходимо, чтобы сцинтилляционный импульс пластмассового сцинтиллятора обладал минимально возможной длительностью. В других задачах наряду с малой длительностью импульса требуется и как можно более высокий световой сигнал, т.е, возникает требование максимально большой добротности сцинтилляционного импульса, величины равной отношению светового выхода сцинтиллятора к длительности его светового выхода. Известен пластмассовый сцинтиллятор NE-lll, представляющий собой твердый раствор 2-(4-бифенилил)-5-фенилоксадиазола-1,3.4 (концентрация 40 г/л) в поливинилтолуоле, Время высвечивания этого сцинтиллятора 1,66 нс, световыход составляет 0,46 условных единиц светового выхода (уесв).

Описан отечествен ный быстродействующий пластмассовый сцинтиллятор, состоящий из полимерной основы — полистирола -, смеси люминесциру|ощих добавок; и-терфенил (3-4 мас.) или 2„5-дифенилоксазол (4 — 7 мас,%) и "утяжеляющей" добавки — 4,45

-ди бром-2,5,2,5 -тетра метил-и-к в и н к виI t 5 5 фенила (2,5 мас.%). Световой выход этого сцинтиллятора 0,23 — 0,25 уесв, длительность сцинтилляционного импульса 0,74-0 8! нс, К недостаткам описанных быстродействующих пластмассовых сцинтилляторов (ПС) следует отнести длительное время высвечивания: 0,74 — 0,84 нс у отечестве!о|ого пластмассового сци||тиллятора и !,66 нс у зарубежного NE-ll!. Современ||ый уровень техники требует сцинтилляторы с временем высвечивания менее 1 нс и с высоким световым выходом. Спектральные характеристики в указанных составах ПС лежат в коротковолновой области спектра (до 400 нм), Область же максимальной чувствительности современных обычно применяемых фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) лежит далее 400 нм. В связи с этим черезвычайно важно, чтобы максимум люминесценции вводимых люминесцирующих добавок ле-. жал в видимой области (> 400 нм), в области максимальной чувствительности ФЭУ, 50

Использование экзотической, малодоступной в технологическом плане л|оминесцирующей добавки — 2,5,2,5 — тетрамеа тил-п-гексафенила, — не только приводит к повышению стоимости ПСС, но делает невозможным его промышленный выпуск.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение длительности сцинтилляционного импульса и повышение светового выхода, К недостаткам известного отечественного ПС следует отнести также и сложную технологию его получения, включающую использование двух люминесцирующих добавок, причем в весьма значительных коли IBcTBBx (от 40 до 70 г/л (4 — 7 мас,%)— первичная люминесциру|ощая добавка и от

20 до 50 г/л (2 — 5 мас,%) — "утяжеляющая" люминесцирующая добавка). Это приводит к повышени|о стоимости п«астмассового сцинтиллятора. Эффект быстродействия в этих пластмассовых сцинтилляторах достигается именно за счет увеличения концентрации люминесцирующих добавок в ! 5 полимерной основе.

Кроме того, необходимо отметить, что используемая в известном составе пластмассового с ци нтиллятора "утя>келяющая" люминесци рующая добавка — 4,5-дибром-!

20 2, 4,2,5 -тетраметил-и-квинквифенил — в

I t r5гJ технологическом отношении очень сложна в изготовлении, промышленностью не выпускается, что делает сам ПС мало доступным, И, наконец, одним из недостатков ПС известного состава является невысокий световыход (0,28-0,26 уесв), что ограничивает возможности его применения в сцинтилляционных детекторах.

Описан отечественный быстродейству30 ющий пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола, содержащий и-терфенил (4 мас.%) или 2,5-дифенилоксадиазол (3 мас.%), в качестве вторичной люминесциру|ощей добавки -2,5,2,5 -тетраметил-и-гекса! I II

35 фенил (0,8 мас,%). Максимум люминесценции такой композиции 393 нм, длительность сцинтилляционного импульса т= 1,1 нс, . световой выход составляет 0,31 уесв, Н едостатки этого сци нтиллято ра следующие.

Максимум люминесценции ПС лежит в короткой (УФ) области спектра, 393 нм, Относительно большая длительность сцинтилляционного импульса, 1,1 нс.

45 Невысокий световой выход, 0,31 уесв.

Наличие первичной люминесцирующей добавки и смесителя спектра в значительных количествах усложняет состав пластмассового сцинтиллятора.

1690478

25 зультат.

Заявленный ПС обладает одновременно не только улучшенными временными ха- 30

Поставленная цель достигается тем, что пластмассовый сцинтиллятор, включающий эамещенную полистирольную основу и люминесцирующую добавку, согласно изобретению, в качестве основы содержит поли-2,4-диметилстирол, s качестве люминесцирующей добавки 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бензол при соотношении компонентов, мас, :

1,4-Бис(5-фенилоксаэолил-2)бензол 1,8-2,0

Поли-2,4-диметилстирал . до 100,0

Данная люминесцирующая добавка обычно применяется в качестве смесителя спектра в жидких и пластмассовых сцинтилляторах с концентрацией 0,1-0,5 мас.ф,. Как первичная люминесцирующая с концентрацией 1,8 — 2,0 мас. ранее в ПС никогда не использовалась.

Взаимосвязь люминесцентных характеристик добавки (А Magc излучения в толуоле

420 нм, квантовый выход флюоресценции

0,70) и основы — поли-2,4-диметилстирола,— обладающих своими специфическими особенностями, проявляющимися в конкретном твердом растворе ПС при определенном массовом соотношении, дает неожиданный рерактеристиками, но и более высоким световым выходом.

Заявленный состав ПС имеет длительность сцинтилляционного импульса t.-0,6-0,63 нс, световой выход 0,55 — 0,57 уесв.

Процесс получения коротких времен высвечивания и одновременно высокого светового выхода заявляемого состава пластмассового сцинтиллятора определяется не свойствами молекул полимерной основы — поли-2,4-диметилстирола - и люминесцирующей добавки — 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бензола — в отдельности, а особенностями самой сцинтилляционной композиции, в которой люминесцирующая добавка — 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2) .бензол — выполняет одновременно функцию первичной и вторичной добавки.

Такой неочевидный результат достигнут на основании ряда проведенных экспериментов с варьируемой концентрацией люминесцирующей добавки, а также поиска полимерной добавки и полимерной основы.

Малая длительность сцинтилляционного импульса в созданной композиции достигается за счет быстрого переноса энергии электронного возбуждения от полимерной основы (поли-2,4-диметилстирола) к люми35

55 несцирующей добавке, излучающей свет, и малой длительности возбужденного состояния этой добавки, составляющей около! нс.

Пластмассовый сцинтиллятор заявляемого состава можно получать в виде пленок и блоков с помощью любого известного способа: термической полимеризацией, прессованием, экструзионным методом, методом испарения растворителя.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, Пример 1. В ампулу иэ термостойкого стекла загружают 1,5 мас. $ 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бенэола и заливают 98;5 мас. свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Содержимое ампулы продувают азотом в течение 5 мин и запаивают. Затем ампулу помещают в термастат при 150 С.

Температуру быстро поднимают до 160 С и выдерживают при этой температуре 72 ч.

Для снятия напряжений, развивающихся в блоке, проводят отжиг по 2 С в час до 80 С;

Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры самопроизвольное. Ампулы разбивают и полученные образцы помещают для охлаждения. Затем образцы подвергают технической обработке — шлифовке и полировке. Выходные данные полученного образца: максимум излучения 420 нм; Я25 мм и h = 12 мм; относительный световой выход 0,49 уесв; длительность сцинтилляционного импульса 0,90 нс.

Пример 2. В ампулу из термостойкого стекла загружают 1,8 мас. 1,4-бис(5-фенилоксазолил)бензола и заливают 98,2 мас,$ свежеперегнанного 2,4 — диметилстирола.

Далее процесс осуществляют, как в примере 1, Выходные данные полученного образца: Я 25 мм и h = 12 мм; максимум излучения 420 нм; относительный световой выход 0,55 усев; длительность сцинтилляционного импульса 0,68 нс, Остальные примеры приведены атаблице.

В таблице приведено сравнение временных и сцинтилляционных характеристик заявляемого ПС, прототипа и известного состава (аналога). Как видно из таблицы, сцинтиллятор заявляемого состава имеет время высвечивания 0 6 0,63 нс, т.е. примерно в 3 раза меньшее, чем у известного состава NT-!

П (ср.поз. 1, 3, 4 и 8) и примерно в 1,4 раза меньшее. чем у прототипа (ср,поз. 2, 3, 4 и

7). Световой выход такой композиции примерно в 2 раза выше, чем у прототипа, и в

1,2 раза выше, чем у известного состава

NE-ill.

Получение более коротких времен высвечивания с увеличением концентрации вещества, вводимого в качестве люминес1890478 центной добавки, обуславливается процессом концентрационного тушения, сопровождающегося понижением светового выхода ПС. Так сцинтиллятор, содержащий

30 г/л (3 мас.%) 1,4-бис(5-фенилоксазолил2)бензола, обладает временем высвечивания, соизмеримым с заявляемым (0,53 и О,б нс соответственно), но значительно (в 1,4 раза) уменьшает световой выход (поэ,б).

Введение же люминесцирующей добавки в количестве, меньшем, чем заявляемое значение (1,5 мас.%, гюз1), уменьшает и световой выход и увеличивает длительность сцинтилляционного импульса в 1,5 раза, Замена любого из компонентов системы: основы — поли-2,4-диметилстирола- или люминесцирующей добавки — 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бензола, — каждый из которых обладает своими специфическими особенностями, приведет к получению композиции с новыми временными,и сцинтилляционными характеристиками. Твердый раствор 2-(4-бифенил)-5-фенилоксадиазола — 1,3,4 в поливинилтолуоле (известный состав NT-Ш) при концентрации 4,0 мас,о/„ вдвое превышающей концентрацию заявляемого ПС (1,8 — 2,0 мас.%), характеризуется более длительным временем высвечивания

-(3 раза), чем заявляемый ПС. Сравнение характеристики растворов при одинаковой концентрации люминесцентных добавок различной структуры не правомочно, поскольку скорость концентрационного тушения для каждой добавки различн,эя и индивидуальна.

Оказалось, что у 1,4-бис(5-фенилоксазолил-2)бензола в поли-2,4-диметилстироле сокращение времени свечения с ростом концентрации этой люминесцирующей добавки происходит быстрее (при концентрации 2 май.%), чем для известного раствора

2-(4-бифенилил(-5-фенилоксадиазола-1,3,4 в поливинилтолуале с ростом концентрации молекул известной добавки.

К преимуществам предлагаемого ПС следует отнести и то, что стоимость предлагаемого. сцинтиллятора невелика по сравнению с таковой прототипа и известного .состава. Учитывая, что сместитель спектра в прототипе — 4,4 -дибром-2,5,2,5 -тетраl 5 - i l 5 5 метил-и-квинквифенил — промышлен ностью не выпускается, производство его в лабораторных условиях из-за сложности синтеза и уникальности промежуточных полупродуктов черезвычайно дорого, НевысоОстальное до 100,0 кая стоимость предлагаемого состава пластмассового сцинтиллятора позволяет широко использовать его в различных ядерно-физи- ческих экспериментах.

5 Определение временных характеристик было проведено методом счета отдельных фотонов при облучении указанных сцинтилляторов электронами от радионуклидов oY + Sr, Для повышения точности

10 измерительной процедуры результаты измерений подвергались математической обработке на 3ВМ ЕС-1033, При обработке учитывалось, что в результате измерений получаются кинетические кривые. форма кото15 рых определяется не только формой исследуемого сигнала, а и влиянием измери-;ельной аппаратуры, Точное определение временных параметров, описывающих форму сцинтилляционной вспышки, возможно

20 лишь при учете вклада аппаратуры в результаты измерений. Поэтому значения времен высвечивания сцинтилляторов, приведенные в примерах и таблице, получены вследствие обработки результатов измерений, 25 позволившей исключить влияние аппаратуры.

Таким образом, заявляемый состав пластмассового сцинтиллятора характеризуется значительно меньшей длительностью

30 сцинтилляционного импульса и более высоким световым выходом. Ыаксимул1 флуоресценции этого состава ПС лежит в области максимальной чувствительности фотоэлектронного умножителя. Изобретение позволяет

35 упростить процесс создания пластмассового сцинтиллятора и удешевить его стоимость, Формула изобретения

Пластмассовый сцинтиллятор, включающий замещенную полистирольную основу, 40 активизирую цую и смещающую люминесцирующие добавки, о т л и ч à lo шийся тем, что, с целью уменьшения длительности сцинтилляционного импульса и повышения светового выхода, в качестве основы ис45 пользован поли-2,4-диметилстирол, à в качестве активизирующей и смещающей спектр люминесцирующей добавки — 1,4бис(5-фенилоксазолил-2)бензол при следующем соотношении компонентов, мас.%;

50 1,4-Бис(5-фенилоксазолил-2)бензол 1,8 — 2,0

Поли-2,4-диметилстирол

1690478

Айзакс. люминесц.. нм

Состав сцинтиллятора (концентрация, мас. 7) Световой выход, уесв

Время высвечивания г, Нс

Заявляемый сцинтиллятор 1,4 — бис (5-фенилоксазолил — 2)-бензол поли-2,4-диметилстирол-основа

1. 1,5

2. 1,8

3. 1,9

4. 2,0

5. 2,5

6. 3,0

Прототип и-терфелин (3 — 4) или 2,5 — дифенилоксазол (2 — 5)

7, 4, 4 — дибром-2, 5, 2, 5— тетра метил — и — квин квифен ил (2-5) полистирол-основа

0,49

0,55

0,57

0.57

0,46

0,40

0,90

0,68

0,60

0,60

0.59

0,53

390

0.23-0,26

0,74 — 0,84

Известный состав NE — Ill

2-(4 — бифенил) — 5 фенилокса— диазол-1, 3, 4 поли винилтолуол — основа

4,0

365

0,46

1,79

Составитель Е.Набатова

Редактор И.Шубина Техред M.Moðråíòàë Корректор Л,Пилипенко

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 1968 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5