Состав полимерного тканеэквивалентного сцинтилляционного детектора гамма-излучения

 

Использование: изобретение относится к дозиметрии ионизирующих излучений, а именно к сцинтиляционной дозиметрии. Сущность изобретения: заявляемый состав содержит в качестве вещества, увеличивающего эффективный атомный номер состава - оловянные соли органических кислот общей формулы I (R₁COO)_lSn(R₂)_m l = 1, m = 3, R₁ и R₂ = C_nH_2n+1, где n = 1 - 17, l = m = 2 R₁ и R₂ = Ph, C_nH_2n+1, где n = 1 - 17 в качестве радиолюминофора производные тиофена общей формулы II, где R₁=C_nH_2n+1 при n = 0 - 4 в качестве полимерной матрицы- сополимер метилметакрилата со стиролом и бутилакрилатом. Кроме того, дополнительно он содержит в качестве вещества, увеличивающего световой выход - производные нафталина общей формулы III, где а) R₁=R₂=R₃ = H, б) R₁=CH₃ R₂=R₃ = H, в) R₁ = H, R₂=R₃=CH₃ при следующем соотношении компонентов, мас. % : вещество, увеличивающее эффективный атомный номер состава 2,5 - 3,0; радиолюминофор - 1,2 - 2,0, вещество, увеличивающее световой выход 5,0 - 15,0, полимерная матрица остальное.

Изобретение относится к дозиметрии ионизирующих излучений, а именно к сцинтилляционной дозиметрии.

Сцинтилляционные детекторы (СД) нашли применение в дозиметрии ионизирующих излучений, в частности гамма излучения, дозиметрия которого имеет большое практическое значение. Однако элементный состав известных СД не эквивалентен элементному составу живой биологической ткани, т. е. эффективный атомный номер состава Z_эф.с. отличается от эффективного атомного номера биологической ткани Z_эф.б.т. = 7,39-7,42.

Это приводит к значительным погрешностям при измерении величин поглощенных доз гамма-излучения в области энергий, меньших 150 кЭв, где существенно влияние фотоэффекта.

Известны составы СД на основе неорганических радиолюминофоров - сульфидов, активированных серебром и мелью, галогенидов, активированных таллием и др. , величина Z_эф.ф которых значительно больше Z_{эф.ф.б.т.} В области малых энергий гамма-излучения детекторы с таким составами повышают величины поглощенных доз [1] .

Известны составы СД на основе органических соединений. Наиболее близким к заявляемому (прототип) является состав на основе полистирола в качестве матрицы с добавками пара-терфенила в качестве ра-диолюминофора и 1,4-ди-/5 -фенилоксазол- 2-ил/-бензола (РОРОР) в качестве смесителя спектра люминесценции [2] .

Недостатками этого состава являются: - меньший, чем у биологической ткани, эффективный атомный номер Z_эф.ф = 6,1, что приводит в области малых энергий гамма-излучения к занижению в 2 раза величин поглощенных доз; - несовпадение максимума спектра спектра люминесценции пара-терфенила λ_макс = 355 нм с областью наибольшей чувствительности фотоумножителей 400N450 нм, используемых в качестве фотопримеников дозиметрических приборов, что вызывает необходимость введения дополнительного люминофора-смесителя спектра; - недостаточная прозрачность матрицы - полистирола, что ограничивает размеры детектора, например, волоконных СД.

Задачами изобретения являются: 1. Достижение у заявляемого состава тканевой эквивалентности по гамма-излучению.

2. Приближение области максимума люминесценции заявляемого состава к области максимальной чувствительности фотоэлектронных умножителей с возможностью вариации положения максимума люминесценции.

3. Увеличение прозрачности матрицы.

Задача 1 решается введением в состав оловянных солей органических кислот общей формулы I: (R₁COO)_l ^.Sn(R₂)_m, где l = 1, m = 3; R₁ и R₂ = C_nH_2n+1; n = 1-17 l = m = 2; R₁ и R₂ = Ph, C_nH_2n+1, n = 1-17.

Задача 2 решается введением в состав в качестве радиолюминофора производных тиофена общей формулы II: где R₁ = C_nH_2n+1, n = 0-4.

Задача 3 решается путем использования в качестве матрицы сополимера метилметакрилата (50-70% ) со стиролом (10-30% ) и бутилакрилатом (0-20% ).

В качестве вещества, увеличивающего световой выход люминесценции, состав содержит в количестве 5-15% производные нафталина, общей формулы III III а-в, где а) R₁ = R₂ = R₃ = H; б) R₁ = CH₃, R₂ = R₃ = H; в) R₁ = H, R₂ = R₃ = CH_3.
Известно исследование одного из производных тиофена/IIД (R1 = трет-ви)/ в качестве активной добавки в лазерных средах [3] .

Однако другие заявленные производные тиофена в качестве люминофоров не исследовались, а в качестве радиолюминофоров производные тиофена не применялись. Выбранный диапазон концентраций радиолюминофора обусловлен тем, что его содержание ниже 1% приводит к заметному снижению световыхода, а концентрации более 2% он не вводится в полимерную матрицу.

Известно применение в составах сцинтилляционных детекторов для исправления их чувствительности с жесткостью излучения таких производных как дифенилртуть и тетрафенилолова [4] . Однако эти соединения ядовиты и труднодоступны, в то время как предлагаемые в заявленном составе для увеличения Z_эфф. оловянные соли органических кислот являются продуктами крупнотоннажной химии поскольку используются в качестве стабилизаторов для поливинилхлорида. Выбранный диапазон концентраций обусловлен тем, что в области малых энергий гамма-излучений состав с большими концентрациями завышает, а с меньшими концентрациями занижает измеряемые величины поглощенных доз.

Известно применение сополимера метилметакрилаа со стиролом и бутилакрилатом в световодах для обеспечения их наибольшей прозрачности [5] .

Однако заявляемое соотношение компонентов в качестве полимерной матрицы СД ранее не применялось. Выбор заявляемого соотношения мономеров обусловлен тем, что при увеличении доли акрилатов уменьшается световой выход, а при увеличении доли стирола уменьшается прозрачность матрицы.

Известно применение производных нафталина в жидкостных СД незамещенного нафталина (IIIа) в полимерных СД [6] .

Однако в полимерных СД производные нафталина ранее не применялись. Применение в заявляемом составе производных нафталина III позволяет снизить концентрацию вводимой добавки с 15% в случае нафталина до 5% при использовании замещенных нафталина при сохранении светового выхода. Верхний предел концентрации добавки обусловлен ее растворимостью в полимере, а при концентрациях ниже 5% нет заметного увеличения светового выхода.

П р и м е р. Определение эксплуатационных параметров состава полимерного СД.

Для испытаний готовят СД блочной сополимеризацией заявляемого состава с последующей механической и оптической обработкой. Готовые образцы представляют собой цилиндром 22±0,3 мм и высотой 20 ± 0,3 мм. Измерение светового отклика СД осуществляли с помощью работающего в токовом режиме фотоумножителя, на входное окно которого помещали образец. Над детектором последовательно помещали образцовые спектрометрические гамма-источники - америций-241 и кобальт-60, мощность дозы которых определяли с помощью образцового прибора. Усиленный сигнал с фотоэлектронного умножителя регистрировали с помощью цифрового вольтметра. Определялось отношение откликов и СД заявляемого состава и прототипа. Значения Z_эфф. вычислялись в соответствии с [7] . Положение максимума люминесценции λ_макс определялось на приборе СДД-2.

Результаты представлены в таблице, из которой видно: 1) значения Z_эфф. заявляемого состава в пределах нескольких процентов совпадают с Z_{эфф.б.т.} и на ≈ 20% превышают значение Z_эфф.п прототипа; 2) величина светового отклика СД заявляемого состава в области больших и малых энергий гамма-излучения в пределах погрешности измерения пропорциональна величине поглощенной мощности излучений, в то время как СД состава прототипа в 2 раза занижают значение поглощенной дозы в области малых энергий; 3) при варьировании химической формулы люминофора положение максимума люминесценции λ_макс меняется в пределах 425-450 нм, оставаясь в пределах области максимальной чувствительности фотоумножителей. (56) 1. Радиоактивные индикаторы в химии. Под ред. В. Б. Лукьянова, М. : Высшая школа, 1985, с. 79.

2. Авторское свидетельство СССР N 172040, кл. G 08 F 212/08, 1965.

3. Каталог активных лазерных сред на основе растворов органических красителей. Под ред. Б. И. Степанова, Минск, 1977, с. 37-38.

4. Авторское свидетельство СССР N 115458, 1958, кл. С 08 F 112/08.

5. Патент Японии N 63-128037, кл. С 07 J 7/00, опублик. 1988.

6. Гуднер О. А. и др. Приборы и техника эксперимента, 1969, вып. 3, с. 66-69.

7. Иванов В. И. Курс дозиметрии. М. : Энергоатомиздат, 1988, с. 56.

Формула изобретения

СОСТАВ ПОЛИМЕРНОГО ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий радиолюминофор и полимерную матрицу, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вещество, увеличивающее эффективный атомный номер состава, и вещество, увеличивающее световой выход, в качестве вещества, увеличивающего эффективный атомный номер состава, взята оловянная соль органических кислот общей формулы
(R₁COO)_l · Sn(R₂)_m,
где а) l = 1, m = 3, R₁ и R₂ - C_nH_2n+1 при n = 1 - 17;
б) l = m = 2, R₁ и R₂ - Ph, C_nH_2n+1 при n = 1 - 17,
в качестве радиолюминофора - производные тиофена общей формулы

где R₁ - C_nH_2n+1 при n = 0 - 4,
в качестве полимерной матрицы - сополимер метилметакрилата со стирлом и бутилакрилатом, а в качестве вещества, увеличивающего световой выход, - производные нафталина общей формулы

где а) R₁ = R₂ = R₃ - H;
б) R₁ - CH₃, P₂ = R₃ - H;
в) R₁ - H, R₂ = R₃ - CH₃,
при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Вещество, увеличивающее эффективный атомный номер состава 2,5 - 3,0
Радиолюминофор 1,2 - 2,0
Вещество, увеличивающее световой выход 5 - 15
Полимерная матрица Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3