Пластмассовый сцинтиллятор

 

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники , конкретно к пластмассовым сцинтилляторам для регистрации тепловых нейтронов , и может быть использовано в экспериментальных приборах и установках в яДерной физике и дозиметрии ионизирующих излучений. Сущность: пластмассовый сцинтиллят.ор содержит поли-2,4-диметилстирол, люминесцирующие добавки и борорганическое соединение. В качестве первичной люминесцирующей добавки используется 2-(2-метилфенил)-5-фенилоксазол, смещающей спектр добавки-1-{5-фенилоксазолил-2}- 4-(5-фенил-1,3,4-оксадиазолмл-2)бензол, борорганического соединения-аллилдодекаборан в соотношении, мас.%: первичная люминесцирующая добавка 2-3, вторичная люминесцирующая добавка 0,08-0,1, борорганическое соединение 18-20, полимерная основа - остальное до 100. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 Т 1/203

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 3 (21) 4926513/25 (22) 08.04.91 (46) 07.05.93, Бюл. N 17 (71) Научно-производственное объединение

"Монокристаллреактиви (72) И.В.Копина, О.А.Гундер, Л,LU.Àôàíàñèади, В.В.Черников, Ю.П,Дармидонтов и

Л.П. Шадрина (56) Тимофеева Т.В. Атомная энергия, 1957, т.3; М 8, с. 156.

Анисимова Г.И., Данелян Л.С., Жигач

А.Ф. и др. Приборы и техника эксперимента, 1969, N 1, с. 49.

Drahe D.M. Feldman W,C, Hurlbut С,//

Nucl inst and Methods un phys, Res. А„1986, А. 247, р. 576-582. (54) ПЛАСТМАССОВЫЙ СЦИНТИЛЛЯТОР (57) Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной тех. Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений с помощью борсодержащих пластмассовых сцинтилляторов (ПС) и может быть использовано в экспериментальных приборах и установках для регистрации тепловых нейтронов. В ядерной физике и дозиметрии ионизирующих излучений на ядерных реакторах необходимо иметь ПС (детекторы), которые обладают высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов и при этом обнаруживают незначительную чувствительность к быстрым нейтронам и у -излучению.

Целью изобретения является повышение светового выхода борсодержащего ПС при одновременном повышении эффективности регистрации тепловых нейтронов.

Цель достигается тем, что состав ПС, содер„„„ Ы„„1814078 Al ники, конкретно к пластмассовым сцинтилляторам для регистрации тепловых нейтронов, и может быть использовано в экспериментальных приборах и установках в яДерной физике и дозиметрии ионизирующих излучений, Сущность; пластмассовый сцинтиллятор содержит поли-2,4-диметилстирол, люминесцирующие добавки и бороргайическае соединение. В качестве первичной люминесцирующей добавки используется

2-(2-метилфенил)-5-фенилоксазол, смещающей спектр добавки-1(5-фенилоксазолил-2)4-(5-фен ил-i,3,4-оксадиазол ил-2)бен зол, борорганического соединения-аллилдодекаборан в соотношении, мас.%: первичная люминесцирующая добавка 2 — 3, вторичная люминесцирующая добавка 0,08-0,1, борорганическое соединение 18-20, полимерная основа — остальное до 100. 2 табл.

А

ОО жащий винилароматический полимер, борсодержащее соединение, активирующую и смещающую спектр люминесцирующие добавки, согласно изобретению в качестве ос! новы содержит поли-2.4,-диметилстирол, в, . и качестве борсодержащего соединения-аллил- ОО додекаборан формулы (CH2 = CHCH2)B12H12 в качестве активирующеи добавки — 2-(2метилфенил)-5-фенилоксазол, в качестве смещающей спектр добавки-1-(5-фенилоксазол ил-2)-4-(5-фен ил-1,3,4-о к сади а зол ил-2) бензол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Борсодержащее соединение аллилдодекаборан l8-20

Активирующая добавка

2-(2-метилфенил)-5-фенилоксазол

Добаька, смещающая спектр, 1-(5-фениоло кс а зол ил-2)-4-(5-фенил-1,3,4-оксадиазолил-2)бензол 0,08 — 0,1 5

ПОТ1имерная основа . До 100

Положительный эффект достигается тОлькО при предложенном сООтношении кОм понентов. Содержание бора в ПС менее 18%, не изменяя световой выход композиции, значительно уменьшает эффективность регистрации тепловых нейтронов, Увеличение заявляемого предельного содержания бора до 25Я, не способствует полному прохождени1о процесса полимеризации. 15

Синтез аллилдодекаборана осуществляют по реакции

ЗйаВН4+ t2 -". ВзНя Na+i2Nal + 2Нг

4ВзНв- Na+ - 01гН1о 2Na +2NaH+1ОНг

В1гН10 2Na + СНг =- СНСНгВг -

- (СНг=СН СНг) В1гН10+2Ма В г

Весь Синтез проводят в среде азота, В колбу заливают 800 мл диметилового эфира диэтиленгликоля (диглима), высушенного над гидридом кальция и свежеперег- ЗО нанного, и загружают 38 г (1 моль) боргидрида натрия. Смесь нагрева1отдо кипения, После полного растворения боргидрида натрия прикапывают раствор 83 г(0,33 моля) иода в 400 мл диглима, Начинается 35 выделение осадка иодида натрия, Реакционную смесь кипятят до прекращения вь1деления водорода и легких бороводородов примерно в течение 4 ч. Затем смесь охлаждают до комнатной температуры, отфильт- 40 ровывают образовавшиеся осадки, K фильтрату по каплям прибавляют 20 r (0,16 моля) бромистого аллила при температуре не выше 500С. Кипятят 2 ч и отфильтровывают бромид натрия. Отгоняют диглим при 45 пониженном давлении (5C! — 60 мм рт.ст.), а затем при 5-6 мм рт.ст все низкокипящие продукты, Основную фракцию диаллилдодекабарана собирают от 180 до 250 С при

5-6 мм рт.ст. Повторная перегонка ее дает 50 продукт с температурой кипения 210 — 230 C при 12 мм рт.ст. (плотность 01 - 1,0713, т10- казатель преломления пг1 -1,4365). ПС алгО лилдодекаборан ранее не использовался, В связи с высо 0A растворимостью att- 55 лилдодекаборана в мокомере — 2,4-диметилстироле — в сцинтилляционную композицию можно вводить до 20;ь бора, т,е. практически в 1,2 раза больше, чем он введен в прототип (157, ).

Удачное сочетание оптических характеристик первичной и вторичной люминесцирующих добавок, заключающееся в наибольшем перекрытии спектра люминесценции актйватора (2-(2-метилфенил)-(5-фениолоксазола) со "ïåêòðîì поглощения смесителя спектра (1-(5-фенилоксазолил-2)-4(5-фенил-",3,4-оксадиазолил-2)бензол), способствует более эффективному переносу энергии электронного возбуждения в этой си; стеме. Взаимосвязь люминесцентных характеристик добавок и специфических свойств основы †по-2,4-диметилстирола,проявляющаяся в конкретном твердом растворе ПС при определенном массовом соотношении компонентов, дает неожиданный результат, Заявляемый ПС обладает при этом одновременно не только более высоким световым выходом, но и более высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов. Так, в заявляемом диапазоне концентраций люминесцирующих добавок и борсодержащего соединения световой выход ПС составляем

38 — 42 по отношени1о к антрацену, а эффективность регистрации тепловых нейтронов колеблется от 62 до 76 Выделение бора в предлагаемой концентрации позволяет сохранить достаточно большую длину ослабления света сцинтилляции (L) — 0,16—

0,17 м. Такие высокие сцинтилляционные характеристики ПС заявляемого состава определяются совокупностью свойств как полимерной основы — поли-2,4-диметилстирола, так и всех остальных компонентов, входящих в состав ПС. Такой неочевидный результат достигнут на основании ряда проведенных экспериментов с варьируемыми концентрациями люминесцирующих добавок и поиска полимерной основы и борорганического соединения

Введение в заявляемую композицию аллилдодекаборана позволяет, проводить полимеризацию при температуре 70 С, т.е в 2 раза ниже, чем при обычном процессе полимеризации ПС, ПС заявляемого состава можно получать в виде блоков и пленок с помощью любого известного способа полимеризации.

Измерения светового выхода ПС производили по анодному току фотоумножителя

ФЗУ 110 10 ГОСТ 17038 3-79 (детекторы ионизирующих излучений сцинтилляционные) с точечным источником /3-излучения на основе 90Y + 90Sr типа БИС вЂ” 3. В качестве эталонного сцинтиллятора использовался монокристалл антрацена, световой выход которого принят за 100%. Измерение зффективной длины ослабления света производили на спектрофотометре СФ-16.

1814078.5

З

30

Для определения эффективности регистрации тепловых нейтронов образцы ПС помещали на фотокатод Ф ЭУ-110 и в светонепроницаемом кожухе устанавливали в из-. мерительный колодец замедлителя из парафина в виде куба со стороной 500 мм.

Ри+ Be-источник нейтронов с выходом

5 10 нейтронов/с располагали в замедлителе на расстоянии 10 см от оси измерительного колодца. Измерения потока тепловых нейтронов проводили активационным методом. Сигнал с последнего диода ФЗУ поступал в предусилитель, смонтированный в том же светонепроницаемом кожухе, Из предусилителя импульсы поступали на вход одноканального амплитудного анализатора.

Импульсы положительной полярности с выхода анализатора поступали на вход формирователя, в котором формировались отрицательные импульсы длительностью 1 мкс, амплитудной 5В, обеспечивающие управление многоканальным анализатором

АИ-128.

Пример 1 (поз. 2). В ампулу из термостойкого стекла загружают 2% 2-(2метилфенил)-5-фенилоксазола, 0,1 1-(5фенилоксазолил-2)-4-(5-фен ил-1,3,4- оксади азолил-2)бензола, 15% (21 мл) аллилдодека,борана и заливают 92,9 свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Содержание ампулы продувают азотом в течение 5 мин, эапаивают и помещают в термостат при температуре 70 С, выдерживают при этой температуре 72 ч. Для уменьшения содержания остаточного мономера температуру повышают до 140 С и выдерживают в термостате 24 ч. Для снятия напряжений, развивающихся в блоке, проводят отжиг по

5 С в час до 80 С, Ампулу разбивают и полученный образец помещают в термастат для самоохлаждения до комнатной температуры, Затем образец подвергают механической обработке-шлифовке и полировке. Из полученного блока получают образец ПС N40 х h 40 мм.

° Выходные данные: относительный световой выход составляет 43% по отношению к монокристаллу антрацена, эффективность регистрации медленных нейтронов составляет 57%, эффективная длина ослабления света-0,175 м.

Пример 2 (поз. 3). В ампулу из термостойкого стекла загружают 2 2-(2метилфенил(-5-фенилоксазола, 0,1% 1-(5фенилоксазолил-2)-4-(5-фенил-1,3,4-оксади азолил-2}бензола, 18% (25 мл) аллилдодекаборана и заливают 82,9% свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Далее процесс осуществляют, как описано в примере 1.

Выходные данные полученного образца

ПС: Я 40 мм и h - 40 мм, относительный световой выход составляет 41%, эффективность регистрации тепловых нейтронов срставляет 62%, эффективная длина ослабления света — 0,173 м. Остальные примеры приведены в табл. 2.

Втабл. 1 приведено сравнение сцинтилляционных и оптических характеристик известных составов ПС, прототипа и заявляемого ПС.

Как видно из данных табл. 2, сцинтиллятор заявляемого состава имеет максимум излучения 415 нм в видимой области спектра, что и прототип — 425 нм, ПС предложенного состава, как видно из таб, 2 (поз, 1-7) содержит больше бора (18 — 20%), чем прототип (15%, поз. 9), Преимуществом предлагаемых сцинтилляторов является их высокий световой выход при большой концентрации борсодержащего соединения. Так, прототип растворяет всего лишь 15% бора, световой выход при этом составляет 29% по отношению к антрацену. IlC предложенного состава способна растворять до 20% бора при высоком световом выходе (42%). Это преимущество заявляемых ПС позволяет достичь хорошее разрешение сцинтилляторов и расширить область их использования для спектрометрических целей.

Запредельное содержание бора (25%) в

ПС не позволяет процессу полимеризации идти до конца, При этом сополимеризация аллильного соединения с 2,4-диметилстиролом сопровождается вырождением передачи цепи на мономер, Запредельное содержание первичной и вторичной добавки также не приводит к получению положительного эффекта, Увеличение до 20 концентрации вводимого бора при одновременном повышеннии до 42% светового выхода и значительном увеличении эффективной длины ослабления света (в 1,4 раза) способствует значительному повышению (в 1,7 раза) эффективности регистрации тепловых нейтронов, что расширяет область применения таких борсодержащих сцинтилляторов, используемых в ядерных и космических экспериментах. Высокая оптическая прозрачность сцинтиллятора (эффективная длина ослабления света) дает возможность изготавливать сцинтилляторы различных размеров и сложной конфигурации, В то же время в зависимости от требований высокий световой выход в сочетании с высокой эффективностью регистра- ции тепловых нейтронов открывает воэможность уменьшения габаритов сцинтиллятора, что весьма снизит его стоимость, 1814078

Таблица 1

Эффективная длина ослабления света, м

Эффективность регистрации тепловых нейтронов, Содержание бора, Световой выход, к антрацену

Состав сцинтиллятора

Оптически непрозрачен, молочно-белый сцинтиллятор, максимум прозрачности достигается в слое не более 5 мм

37 .

25

38 данные отсутствуют

0,1

45

0,120

Меньшая летучесть и токсичность борсодержащего соединения — аллилдодекаборэма, снижение в 2 раза температуры полимеризэции (от 150 до 70 С) позволяют снизить токсичность вредных выбросов паров, выделяющихся при получении ПС и особенно при формировании IlC из расплава.. Это улучшает санитарно-гигиенические условия труда на участках получения ПС.

Формула изобретения

Пластмассовый сцинтиллятор на основе винилароматического полимера, включающий люминесцирующие добавки и борсодержащеесоединение,отличающийся тем, что, с целью повышения светового выхода и эффективности регистрации тепловых нейтронов, в.качестве борсодержащего

Известный состав

Еп$(Ад)+ВтОз пол иметилметакрилат

Известный состав и-терфениел 4 мас. 7 .

POPOP 0,04 мас. изопропенилкарборан полистирол

Прототип

Состав и соотношение люминесцирующих доба вок неизвестно, декаборан поливинилтолуол соединения использован аллилдодекаборан формулы СН - СНСНт)Ва Нп, в качестве активирующей люминесцирующей добавки-2-(2-метилфенил)-5-фенилокс5 азол. смещающей спектр люминесцирующей добавки-1-(5-фенилоксазолил-2)-4-(5-фенил

-1, 3, 4-оксадиазолил-2+бензол, в качестве полимерной основы -поли-2. 4-диметилстирол при следующем соотношении компо10 ментов, мас. $:

Указанное борсодержащее соединение . 18-20

Активирующая люминесцирующая добавка 2-3

15 Смещэющая спектр люминесцирующая добавка 0,08-0,1

Указанная полимерная основа Остальное

1814078

Продолжение таблицы

Эффективная длина ослабления света,м

Световой выход, к антрацену

Состав сцинтиллятора

Эффективность регистрации тепловых нейтронов, Содержание бора, Заявляемый сцинтиллятор активирующая добавка:

2-(2-метил фен ил)-5-фенилоксазол -3 мас, 7 смещающая спектр добавка:

1-(5-фе нилоксазолил-2)-4(5-фенил-1, 3, 4-оксадиазолил-2) бензол 0,08-0,1 мас. 7 борорганическое соединение: аллилдодека бора н поли-2, 4- иметилсти ол

38-42

62-71

0.175-0,161

Таблица 2

Состав с интиллято а, мас.

ММ и/и

Я к излуч., нм

Световой выход, Я, к антрацену

Эффективность регистрации тепловых нейтронов, 7

Эффективная длина ослабления света, м смеситель борорганиспектра ческое соединение активатор

415

Заявляемый с интиллято

2 0,12

Прототип ВС вЂ” 454 процесс полимеризации не проходит до конца

425 29, 45 0,120

Соотношение компонентов не казано

Составитель И. Купина

Редактор H. Рожкова Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль

Заказ 1827 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

1.

2, 3.

4.

5, 6, 7.

2

2

3

3,5

0,10

0,10

О,10

0,10

0,08

0,05

0,10

18

18

18

27

41

41

38

42

37

37

57

62

71

63

71

0,120

0,175

0,173

0,162

0,161

0,152

0,112