Металлосодержащий пластмассовый сцинтиллятор



Металлосодержащий пластмассовый сцинтиллятор
Металлосодержащий пластмассовый сцинтиллятор

 


Владельцы патента RU 2466428:

Учреждение Российской академии наук Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН (ИСПМ РАН) (RU)

Изобретение относится к области создания пластмассовых сцинтилляторов с повышенным средним атомным номером. Сущность изобретения заключается в том, что пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола включает люминесцирующие добавки и металлосодержащее соединение, при этом в качестве люминесцирующих добавок содержит наноструктурированный наполнитель, состоящий из звеньев, соответствующих первичному и вторичному люминофорам, а в качестве металлосодержащего соединения содержит соединение, выбранное из самоорганизующихся наноструктурированных элементоорганических соединений общей формулы C24H23O6S3Si3Me, где Me означает Eu или Tb, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

наноструктурированный наполнитель 1,0-2,0 металлосодержащее соединение 1,0-10,0 полистирол остальное

Технический результат - повышение эффективности регистрации гамма-квантов с энергией 20-200 кэВ и высоким световым выходом. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к созданию пластмассовых сцинтилляторов с повышенным средним атомным номером и может быть использовано в экспериментальных установках и приборах для регистрации низкоэнергетического гамма-излучения (20-200 КэВ).

Известен пластмассовый сцинтиллятор на основе винилароматических полимеров и наноструктурированного наполнителя [патент РФ N2380726]. Этот сцинтиллятор имеет световой выход относительно антрацена 100-110%, однако в его составе нет металлосодержащих соединений. Поэтому коэффициент ослабления гамма-квантов с энергией 60 КэВ для этого сцинтиллятора не превышает 0,2 см-1.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому сцинтиллятору является пластмассовый сцинтиллятор на основе винилароматических полимеров (в т.ч полистирола), включающий люминесцирующие добавки и металлсодержащее соединение из алкиларильных соединениий олова или свинца [авторское свидетельство СССР N1464706, кл. G01T 1/203, опубл. 15.12.1992. Бюлл. №46]. Коэффициент ослабления гамма-квантов с энергией 60 КэВ для этого сцинтиллятора достигает 0,3-0,4 см-1, однако световой выход при этом составляет 35-45% от светового выхода антрацена.

Наиболее часто в качестве вилинароматического полимера для полимерной матрицы пластмассовых сцинтилляторов используют полистирол ввиду его хороших оптических свойств, коммерческой доступности и невысокой цены как самого полимера, так и мономера для его получения - стирола (Б.В.Гринев, В.Г.Сенчишин. Пластмассовые сцинтилляторы, 2003, Акта, Харьков, 324 с.).

Задача изобретения - получение нового пластмассового сцинтиллятора с повышенной эффективностью регистрации гамма-квантов с энергией 20-200 кэВ и высоким световым выходом.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения: 1) коэффициент ослабления гамма-квантов с энергией 60 КэВ в 1,5-2,5 раза выше, чем у пластмассового сцинтиллятора без металлосодержащего соединения; 2) световой выход нового пластмассового сцинтиллятора 60-75% относительно светового выхода антрацена.

Поставленная задача решается тем, что создан новый пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола, включающий люминесцирующие добавки и металлосодержащее соединение, отличающийся от известного тем, что в качестве люминесцирующих добавок содержит наноструктурированный наполнитель, состоящий из звеньев, соответствующих первичному и вторичному люминофорам, а в качестве металлосодержащего соединения содержит соединение, выбранное из самоорганизующихся наноструктурированных элементоорганических соединений общей формулы C24H23O6S3Si3Me, где Me означает Eu или Tb, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

наноструктурированный наполнитель 1,0-2,0
металлосодержащее соединение 1,0-10,0
полистирол остальное

В частности, в наноструктурированном наполнителе звеньями, соответствующими первичному и вторичному люминофорам, являются звенья первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено).

В частности, самоорганизующимся наноструктурированным элементоорганическим соединением является C24H23O6S3Si3Eu или C24H23O6S3Si3Tb.

Увеличение эффективности регистрации гамма-квантов достигается в результате повышения среднего атомного номера пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола и наноструктурированного наполнителя вследствие введения в него металла с большим атомным номером (153Eu или 159Tb). Высокий световой выход пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола и наноструктурированного наполнителя снижается при этом незначительно, так как длинноволновое поглощение 5-(триметилсилил)тиофен-2-карбонильного лиганда лежит в области 230-250 нм и не перекрывается со спектрами люминесценции полистирола (280-350 нм) и наноструктурированного наполнителя (400-500 нм). Некоторое снижение светового выхода с ростом концентрации металлосодержащего соединения объясняется уменьшением доли полистирола и флуктуациями плотности матрицы, вызванными большим содержанием металлосодержащего соединения.

Самоорганизующиеся наноструктурированные элементоорганические соединения общей формулы C24H23O6S3Si3Me, где Me=Eu или Tb (см фиг.1), получают путем взаимодействия 5-(триметилсилил)тиофен-2-карбоновой кислоты с ацетатом соответствующего металла (европия или тербия) по реакции обмена лигандами. Примеры таких реакций описаны в Chem. Mater. 1998, v.10, №1, p.286-296. Примеры получения кремнийорганических производных тиофенкарбоновой кислоты описаны в Langmuir, 2009, v.25, №16, p.9270-9284.

Наноструктурированный наполнитель содержит первичный и вторичный люминофоры, соединенные атомами кремния в наноразмерные разветвленные макромолекулы. При этом первичный люминофор выбирают из группы соединений, у которых максимум длинноволновой полосы спектра поглощения находится в интервале от 270 до 350 нм и квантовый выход флуоресценции не менее 5%, а вторичный люминофор выбран из группы соединений, у которых максимум длинноволновой полосы спектра поглощения находится в интервале от 330 до 400 нм и квантовый выход флуоресценции не менее 30%.

Наноструктурированный наполнитель получают с помощью по крайней мере одной из реакций металлоорганического синтеза (Сузуки, Кумады, Стилле, Ульмана), а также взаимодействием хлор- или алкоксисиланов с литий- или магнийорганическими производными. Примеры таких реакций описаны в:

1. Известия Академии Наук, Серия химическая, 2005, №.3, с.673;

2. Mendeleev Communications, 2007, v.17, №1, p.34-36;

3. Chem. Mater., 2009, v.21, №3, p.447-455.

В качестве наноструктурированных наполнителей могут выступать разветвленные олигоарилсиланы, например, описанные в патенте РФ №2396290 или полиарилсилановые дендримеры, описанные в патенте РФ №2353629. Предпочтительным является наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), структурная формула которого представлена на Фиг.2.

Заготовку сцинтиллятора получают, смешивая наноструктурированный наполнитель и наноструктурированное элементоорганическое соединение с полимером, выбранным в качестве основы, в двухшнековом смесителе с возвратным каналом (при температуре 180°C и частоте вращения шнеков 600 об/мин). Далее прессованием (при температуре плит 180°C) получают образцы ПС диаметром 25 мм, высотой 10 мм. Поверхность образца тщательно полируют.

Измерения коэффициента ослабления гамма-квантов и светового выхода пластмассового сцинтиллятора производят на калиброванном амплитудном спектрометре.

На Фиг.1 представлена структурная формула самоорганизующихся наноструктурированных элементоорганических соединений общей формулы C24H23O6S3Si3Me, где Me=Eu или Tb.

На Фиг.2 представлена структурная формула наноструктурированного наполнителя, состоящего из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 98% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,22 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 60%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 2

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 96,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,29 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 58%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 3

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 94% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 53%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 4

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 89% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,43 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 47%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 5

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 98% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,24 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 70%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 6

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 96,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 68%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 7

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 94% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,44 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 64%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 8

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 89% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,53 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 55%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 9

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 97% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,22 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 73%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 10

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 95,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,29 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 71%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 11

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 93% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 64%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 12

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Eu - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 88% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,43 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 56%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 13

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 97% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,24 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 85%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 14

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 95,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 82%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 15

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 93% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,44 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 78%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 16

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C24H23O6S3Si3Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C24H23O6S3Si3Tb - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 88% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,53 см-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 66%, относительно светового выхода антрацена.

1. Пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола, включающий люминесцирующие добавки и металлосодержащее соединение, отличающийся тем, что в качестве люминесцирующих добавок содержит наноструктурированный наполнитель, состоящий из звеньев, соответствующих первичному и вторичному люминофорам, а в качестве металлосодержащего соединения содержит соединение, выбранное из самоорганизующихся наноструктурированных элементоорганических соединений общей формулы C24H23O6S3Si3Me, где Me означает Eu или Tb, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

наноструктурированный наполнитель 1,0-2,0
металлосодержащее соединение 1,0-10,0
полистирол остальное

2. Пластмассовый сцинтиллятор по п.1, отличающийся тем, что в наноструктурированном наполнителе звеньями, соответствующими первичному и вторичному люминофорам, являются звенья первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено).

3. Пластмассовый сцинтиллятор по п.1, отличающийся тем, что самоорганизующимся наноструктурированным элементоорганическим соединением является C24H23O6S3Si3Eu.

4. Пластмассовый сцинтиллятор по п.1, отличающийся тем, что самоорганизующимся наноструктурированным элементоорганическим соединением является C24H23O6S3Si3Tb.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к пластмассовым сцинтилляторам (ПС), и может быть использован в ядерной физике, физике высоких энергий, в радиационной химии, в атомной промышленности, радиационной медицине.

Изобретение относится к области дозиметрии быстрых нейтронов и гамма-излучения. .

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к радиационно-стойким пластмассовым сцинтилляторам (ПМС). .

Изобретение относится к сцинтилляционным материалам на полимерных основах, в частности к пленочным пластмассовым сцинтилляторам (ППС) на основе ароматических полимеров, и может быть использовано в детекторах для регистрации: альфа-частиц в диапазоне энергий 2 - 10 МэВ (даже при высокой интенсивности фонового гамма-излучения); электронов в диапазоне энергий 200 - 1000 кэВ, низкоэнергетических гамма-квантов в диапазоне энергий 10 - 50 кэВ, а также при изготовлении других устройств, в которых применяется явление сцинтилляции (электро- и рентгено-люминесцентные экраны, электронно-оптические преобразователи и т.п.).

Изобретение относится к разработке материалов для измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при изготовлении эластичных сцинтилляторов на основе полиорганосилоксановых каучуков, применяемых при детектировании и -излучений.

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