Пластмассовый сцинтиллятор

 

Изобретение относится к пластмассовым сцинтилляторам. Целью изобретения является повышение прозрачности и теплостойкости при неухудшении светового выхода. Цель достигается предлагаемым составом пластмассового сцинтиллятора, мас. %: фракция 1,3-дифенилбензола от отходов производства дифенила 10 - 40; 2,5-дифенилоксазол 0,1 - 1,0; 1,4 бис-(2,5-(дифенилоксазолил)) бензол 0,05 - 0,08, полиметилметакрилат - до 100. Сцинтиллятор устойчив к фото- и гамма-облучению. При дозе 10⁵ Гр Гр падение светового выхода составляет 50% от первоначального значения. 1 табл.

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам на полимерных основах, в частности к пластмассовым сцинтилляторам (ПС) на основе полиметилметакрилата (ПММА), которые используются для регистрации ионизирующих излучений и элементарных частиц. Известен ПС на основе полиметилметакрилата, содержащий активный наполнитель (вторичный растворитель) нафталин - до 15%; первичную активирующую добавку 2,5-дифенилоксазолил-1,3(РРО) - 1,2%; вторичную, смещающую спектр люминесценции добавку 1,4-бис-2,5-(дифенилоксазо- лил)-бензил (РОРОР) - 0,08%, остальное метилметакрилат. Получают ПС блочной полимеризацией указанных компонентов в присутствии перекисного инициатора - дициклогексилпероксидикарбоната. Такие ПС имеют световой выход (СВ) не более 0,225 УЕСВ и эффективный показатель ослабления света собственного излучения (ЭПОС) 0,004-0,006 см^-1. Недостатком этих ПС является ограниченность их размеров, так как реакция полимеризации ММА экзотермична и масса около 0,2 кг заметно саморазогревается, а большая (по этой причине) вспенивается, "сгорает". Кроме того, ПС имеют низкий световой выход. Указанные недостатки частично устранены использованием в качестве инициатора редоксисистемы: перекисный инициатор и активатор - третичный амин. В качестве активатора использован диметиламиноэтиловый эфир метакриловой кислоты (ДМАЭМА), или диметиламинопроизводное третилпиразолина, или трифторпроизводное пиразолина. Использование редоксисистемы позволило получить ПС значительно больших размеров, повысить их световой выход (на 15-35%), однако прозрачность в 1,5-2 раза ухудшалась (сравнительные характеристики ПС приведены в таблице, см.примеры а и б). Общим недостатком для ПС является использование в качестве активного наполнителя нафталина, вводимого в ПС до 15 мас.%, токсичного вещества с большой упругостью паров (т.е. летучего) при комнатной температуре. Кроме того, нафталин ингибирует (замедляет) процесс полимеризации, т.е. удлиняет технологический процесс. При хранении и эксплуатации ПС желтеют, что делает их непригодными к дальнейшей эксплуатации. Известен также ПС, где вместо нафталина в качестве активного наполнителя (вторичного растворителя) используется 1,1,3-триметил-3-фенилиндан в количестве 10-60 мас.%, а в качестве люминесцирующих добавок - паратерфенил 0,2-0,8 мас.% и РОРОР 0,01-0,03 мас.%. 1,1,3-Триметил-3-фенилинден индифферентен по отношению к процессу полимеризации, не летуч (температура кипения около 295^оС), не токсичен. Получаемые ПС имеют хорошую прозрачность - 0,002-0,00025 см^-1, хорошую сохраняемость во времени, термостабильны, но обладают недостаточно высоким световым выходом. Наиболее близким к предлагаемому является пластмассовый сцинтиллятор на основе полиметилметакрилата, включающий первичную люминесцирующую добавку-2,5-дифенилоксазол (РРО)- 1,2 мас.ч, вторичную люминесцирующую добавку - 1,4-ди-(2,5-фенилоксазолил)бензол (РОРОР) - 0,08 мас.ч. и вторичный растворитель (активный наполнитель) 1,1-дитолилэтан или 1,1-диксилилэтан в количестве 5-40 мас.ч. 1,1-Дитолилэтан и 1,1-диксилилэтан, вводимые вместо нафталина, практически индифферентны к процессу полимеризации метилметакрилата, имеют высокую температуру кипения, т.е. эти вещества не летучи при температурах получения, хранения и эксплуатации ПС. Получаемые ПС имеют хорошую сохраняемость и радиационную стойкость. Однако эффективный показатель ослабления света собственного излучения (прозрачность) недостаточен. С другой стороны, ПС, содержащие 1,1-дитолилэтан или 1,1-диксилилэтан в количестве более 45%, при комнатной температуре каучукоподобны, им нельзя придать необходимую форму путем механической обработки, ПС, содержащие названные вторичные растворители в количестве 25 мас.%, при температуре около 50^оС становятся каучукоподобными, т.е. размягчаются и теряют способность сохранять приданную им ранее форму. Это затрудняет их использование в экспериментах, где возможно выделение тепла и повышение температуры более 50^оС. Целью изобретения является повышение прозрачности и теплостойкости ПС при сохранении светового выхода. Поставленная цель достигается тем, что пластмассовый сцинтиллятор, включающий полимерную основу - полиметилметакрилат, активирующую добавку - РРО, добавку, смещающую спектр люминесценции - РОРОР и активный наполнитель - передатчик энергии электронного возбуждения, в качестве активного наполнителя содержит фракцию 1,3-дифенилбензола из отходов производства дифенила с температурой плавления 81-89^оС при следующем соотношении компонентов, мас.%: Фракция 1,3-дифенилбензола 10-40 2,5-Дифенилоксазол 0,1-1,0 РОРОР 0,05-0,08 Полиметилметакрилат до 100 Фракция 1,3-дифенилбензола из отходов производства дифенилов хорошо растворяется при комнатной температуре в мономере, не оказывает воздействия на процесс полимеризации, мало влияет на температуру стеклования полимерной композиции. Эта фракция имеет размытые широкие полосы в спектре поглощения со значительно меньшей экстинцией, чем у других наполнителей. Этим обусловлена более высокая прозрачность предлагаемого ПС. Более того, спектр люминесценции фракции в данной смеси компонентов хорошо совмещается спектром поглощения наиболее эффективной первичной добавки РРО, что способствует лучшей передаче энергии от вторичного растворителя к первичной добавке и приводит к повышению светового выхода. Используемый продукт - фракцию 1,3-дифенилбензола выделяют из отходов производства дифенила фракционированной перегонкой. Отбирают фракцию при 360-380^оС (или при пониженном давлении). Дистиллятор перекристаллизовывают из низших спиртов (метиловый, этиловый и др.). Полученный продукт представляет собой белый мелкокристаллический порошок, без запаха, с температурой плавления (85∓4^оС) и содержит в качестве основного вещества 1,3-дифенилбензол (температура плавления 1,3-дифенилбензола 89^оС). Содержание примеси может быть довольно значительным. Единственное требование к используемой фракции - отсутствие красящих веществ - продуктов осмоления и окисления. В качестве примесей идентифицированы: паратерфенил и изомеры кватерфенила (соответственно 0,1-2 и 0,1-0,3 мас.%). Эти соединения используются в качестве первичных люминесцирующих добавок в составе ПС, т.е. они не являются веществами, отрицательно влияющими на сцинтилляционные параметры. Предлагаемый пластмассовый сцинтиллятор может быть получен блочной полимеризацией раствора названных компонентов в мономере метилметакрилата известными способами. Блочную полимеризацию проводят в инертной среде в соответствующих формах (стеклянных ампулах, между силикатными стенками с соответствующими прокладками и т. п. ) без инициатора или в присутствии инициаторов, которые в процессе полимеризации разлагаются (поэтому они не являются составными частями ПС). Для ускорения процесса полимеризации целесообразно использовать инициаторы в количестве 0,002-0,01 мас.%. П р и м е р 1. Раствор, содержащий 10% продукта, выделяемого из отходов производства дифенила, 0,9% РРО и 0,05% РОРОР в ММА, в присутствии инициатора (0,01% динитрила азодиизомасляной кислоты) термически полимеризуют в инертной атмосфере в стеклянных ампулах при 40∓2^оС. Из полученной заготовки путем механической обработки, шлифовки и полировки изготавливают пластмассовый цилиндрический детектор диаметром 40 и высотой 600 мм. Его световой выход 0,310 УЕСВ, ЭПОС 0,0025 см^-1, теплостойкость по Вика 106-108^оС. П р и м е р 2. Раствор, содержащий 20% продукта, выделяемого из отходов, 0,3% РРО и 0,08% РОРОР в ММА, в присутствии инициатора (0,002 бромсукцинимида) полимеризуют при фотооблучении в форме пластины. Из полученной заготовки изготавливают детектор размером 1000х250х30 мм, его С.В. 0,31 УЕСВ, ЭПОС 0,0026 см^-1, теплостойкость по Вика 108-110^оС. П р и м е р 3. Раствор, содержащий 30% продукта, выделяемого из отходов, 0,1% РРО и 0,06 РОРОР в ММА в присутствии инициатора (0,005 бензоила) полимеризуют по блочному методу между силикатными стеклами (или полированными листами нержавеющей стали). Из полученной заготовки изготавливают детектор размером 1000х250х30 мм. Его С.В. 0,308 УЕСВ, ЭПОС 0,00290 см^-1, теплостойкость по Вика 107-110^оС. П р и м е р 4. Раствор, содержащий 20% продукта, выделяемого из отходов, 0,6% РРО и 0,08% РОРОР, в стеклянных ампулах в инертной атмосфере полимеризуют при 20∓2^оС с последующим прогревом при 115-120^оС. Из полученной заготовки изготавливают детектор размером 500х100х20 мм. Его С.В. 0,320 УЕСВ, ЭПОС 0,0027 см^-1, теплостойкость по Вика 107-110^оС. П р и м е р 5 (запредельный). Раствор, содержащий 3% продукта, выделяемого из отходов, 1,2% РРО и 0,08% РОРОР, в присутствии инициатора (0,005% дициклогексилпероксидикарбоната) полимеризуют по блочному методу между силикатными стеклами. Из полученной заготовки изготавливают детектор размером 500х100х20 мм. Его С.В. 0,24 УЕСВ, ЭПОС 0,0021 см^-1. П р и м е р 6 (запредельный). Раствор, содержащий 50% продукта, выделяемого из отходов, 0,6% РРО и 0,06% РОРОР, полимеризовали как указано в примере 5. Изготовлен детектор размером 500х100х20 мм. С.В. 0,275 УЕСВ, ЭПОС 0,00721, теплостойкость по Вика 80-83^оС. П р и м е р 7 (запредельный). Раствор, содержащий 20% продукта, выделяемого из отходов, 4,0% РРО и 0,1% РОРОР в метилметакрилате, полимеризовали в стеклянной запаянной ампуле без инициатора в среде азота при 20∓2^оС до твердого состояния с последующим прогревом при 115^оС. Из полученной заготовки изготавливали детектор диаметром 30 мм и высотой 350 мм; его С.В. 0,231 УЕСВ; ЭПОС 0,0064 см^-1. Характеристики детекторов на основе ПС, имеющих другие соотношения названных компонентов, а также запредельное соотношение, приведены в таблице. Как видно из данных таблицы, заявляемые ПС имеют по сравнению с прототипом более высокую прозрачность. Прозрачность заявляемых ПС (см. табл. поз. 1,2,3,4,8,11) составляет 0,0025-0,0031 см^-1, по прототипу - 0,004-0,005 (см.поз.2), что на 25-50% выше. При этом сохраняется высокий световой выход. На некоторых образцах световыход даже несколько улучшен (у прототипа 0,275 УЕСВ, по примерам 1,2,3,4,8,11 - в среднем на 20%). Теплостойкость по Вика заявляемых образцов 106-112^оС по сравнению с 67-70^оС по прототипу, т.е. теплостойкость повышена в среднем на 40^оС. Заявляемые ПС сочетают высокую механическую прочность, устойчивость к температурным и климатическим воздействиям, к воздействию фото- и ионизирующего излучения. Предлагаемый ПС не изменяет внешнего вида и параметров в течение года. Параметры сцинтиллятора сохраняются в процессе воздействия температур от -50^оС до 60^оС, в том числе и к воздействию термоударов. Параметры сцинтиллятора устойчивы к воздействию пониженного и повышенного давления (10²-10⁶ Па) воздуха и инертных газов, а также воздействию повышенной влажности 90-100% при 40^оС в течение 500 ч. Сцинтилляторы устойчивы к фото- и гамма-облучению, при дозе 10⁵ Грей, при этом падение светового выхода составляет 50% от первоначального значения (у прототипа 60-65%). Используемые в прототипе вторичные растворители: 1,1-дитолилэтан или 1,1-диксилилэтан требуют создания специального производства, тогда как вторичный растворитель выделяется из отходов. Использование отходов производства дифенила не только улучшает экологию производства, но позволяет уменьшить стоимость вторичного растворителя. Содержание РРО в ПС предлагаемого состава 0,1-1,0 мас.%, что в 1,2-12 раз меньше, чем в известном. Это также способствует снижению стоимости и одновременно позволяет увеличить выпуск ПС при прежних объемах производства РРО. Предлагаемые ПС найдут широкое применение в физике высоких энергий (для регистрации ионизирующих излучений и элементарных частиц) при исследовании редких и редчайших ядерных взаимодействий в физике космических излучений. (56) Авторское свидетельство СССР N 203229, кл. С 08 F 29/46, 1970. Авторское свидетельство СССР N 559564, кл. С 08 F 220/14, 1976. Авторское свидетельство СССР N 816125, кл. С 08 F 120/14, 1979. Авторское свидетельство СССР N 938579, кл. С 08 F 120/14, 1980. Авторское свидетельство СССР N 1086925, кл. G 01 T 1/203, С 08 F 120/14, C 08 F 2/44, 1982. Авторское свидетельство СССР N 1568502, кл. С 08 F 120/14, С 09 К 11/06, 1987.

Формула изобретения

ПЛАСТМАССОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯТОР, включающий полимерную матрицу-полиметилметакрилат, вторичный растворитель, первичную активирующую добавку - 2,5-дифенилоксазол и вторичную, смещающую спектр люминесценции добавку, - 1,4-бис-(2,5-дифенилоксазолил)бензол, отличающийся тем, что, с целью повышения прозрачности и теплостойкости при сохранении светового выхода, в качестве вторичного растворителя используют фракцию 1,3-дифенилбензола из отходов производства дифенила с температурой плавления 81 - 89^oС при следующем соотношении компонентов, мас.%: Фракция 1,3-дифенилбензола из отходов производства дифенила с температурой плавления 81 - 89^oС 10 - 40 2,5-Дифенилоксазол 0,1 - 1,0 1,4-Бис-(2,5-дифенилоксазолил)бензол 0,05 - 0,08 Полиметилметакрилат До 100

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---