Пластмассовый сцинтиллятор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9 О 478 А 1 Т 1/203 1)5 ЕНТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР .(ГОСПАТЕНТ СССР) ПИС ИЗОБРЕТЕНИ О О го синтеза, при зни позитронов ммэ-сцинтилляци щим пластмэссовы является основн ременное разреш ность максималь оординаты попад еАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВ(56) Каталог фирмы "Иисеаг Епсегрг 1 зезОгпйед, 1977, М 109, с,З,Барашков Н.НГундер О.А. Флуоресцирующие полимеры, М,: ХИмия, 1987, с. 183.ГОСТ 23071-78. Детекторы ионизирующих излучений. Сцинтилляционные термины, определения и буквенные обозначения,- 01.07,79.Авторское свидетельство СССРМ 540507. кл. 6 01 Т 1/203, 1974,Каталог "Органические люминофоры илюминесцентные материалы". Черкассы,1983, с.7.Галунов Н.З. (к вопросу об измеренияхпараметров кинематики сцинтилляций в нано- и субнаносекундном диапазонах), Методыполучения и исследования монокристаллов исцинтилляторов;. Харьков, 1980, В 5, с 104 - 110.Авторское свидетельство СССРМ 735085, кл. 6 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 ди 2(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.4-диметилстирол и люминесцирующую добавку 1,4-бис(5-фенилоксазолил)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 термоядерно ределении времени ж фронтам нарастания га в ряде других задач,К быстродействую Сцинтилляторам пред требование - высокое ние, дающее возмож точного определенияния частицы в сцинтиллятор и возможность работы в условиях больцих загрузок.Основной характеристикой быстродействующих пластмассовых сцинтилляторов 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 сцицтиллятора 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 М Е-1, представляющий собой твердый раствор 2-(4-бифенилил)-5-фецилоксадиазола,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 люминесцируощих добавок; и-терфенил (3-4 мас.) или 25-дифенилоксазол 4 - 7 мас,7 ь) и "утяжеляющей" добавки - 4,4 -ди бром,5,2,5 тетра метил-и-к в и ц к ви5 5фенила (2,5 мас,%). Световой выход этого сцинтиллятора 0,23 - 0,25 уесв, длительность сцинтилляционного импульса 0,74-0,84 цс,К недостаткам описанных быстродействующих пластмассовых сцинтилляторов (ПС) следует отнести длительное время высвечивания: 0,74 - 0,84 нс у отечественоого пластмассового сциц;гиллятора и 1,66 цс у зарубежного ИЕ. Современный уровень техники требует сцицтилляторы с временем высвечивания менее 1 цс 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 чрезвычайно важно, чтобы максимум люминесценции вводимых люминесцирующих добавок ле-. жал в видимой области ( 400 нм), в области максимальной чувствительности ФЭУ, 50 55 Использование экзотической, малодоступной в технологическом плане ломинесцирующей добавки - 2,5,2,5 - тетрамеатил-п-гексафенила, - не только приводит к повышению стоимости ПСС, но делает невозможным его промышленный выпуск,Целью предлагаемого изобретения является уменьшение длительности сцинтилляциоццого импульса и повышение световоговыхода,К недостаткам известного отечественного ПС следует отнести также и сложнуютехнологию его получения, включающую использование двух люминесцирующих доба 5 вок, причем в весьма значительныхколичествах (от 40 до 70 г/л (4 - 7 мас,0) -первичная люминесцируощая добавка и от20 до 50 г/л (2 - 5 мас,0) - "утяжеляющая"люминесцирующая добавка. Это приводит10 к повышению стоимости пастмассовогосцинтиллятора. Эффект быстродействия вэтих пластмассовых сцинтилляторах достигается именно за счет увеличения концентрации люминесцирующих добавок в15 полимерной основе.Кроме того, необходимо отметить, чтоиспользуемая в известном составе пластмассового сцинтиллятора "утяжеляющая"люмицесци рующая добавка - 4,5-дибром20 2, 4,2,5 -тетраметил-и-квинквифенил - вг 5 зтехнологическом отношении очень сложна визготовлении, промышленностью не выпускается, что делает сам ПС мало доступным,И, наконец, одним из недостатков ПСизвестного состава является невысокий световыход (0,28-0,26 уесв), что ограничиваетвозможности его применения в сцинтилляциоюых детекторах.Описан отечественный быстродейству 30 ющий пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола, содержащий и-терфенил(4 мас,%) или 2,5-дифенилоксадиазол (3мас,0), в качестве втоичцой люминесцирующей добавки -2,5,2,5 -тетраметил-и-гексаИ35 фенил (0,8 мас,%). Максимум люминесценциитакой композиции 393 нм, длительностьсцинтилляциоцного импульса т= 1,1 нс,. световой выход составляет 0,31 уесв,Н едостатки этого сци нтиллято ра следу 40 ющие.Максимум люминесценции ПС лежит вкороткой (УФ) области спектра, 393 цм,Относительно большая длительностьсцинтилляционного импульса, 1,1 нс.Невысокий световой выход, 0,31 уесв.Наличие первичной люмицесцирующейдобавки и смесителя спектра в значительных количествах усложняет состав пластмассового сцинтиллятора, 169047810 15 20 25 зультат.Заявленный ПС обладает одновременно не только улучшенными временными ха Поставленная цель достигается тем, что пластмассовый сцинтиллятор, включающий эамещенную полистирольную основу и люминесцирующую добавку, согласно изобретению, в качестве основы содержит поли,4-диметилстирол, в качестве люминесцирующей добавки 1,4-бис(5-фенилоксазолил)бензол при соотношении компонентов, мас,:1,4-Бис(5-фенилоксаэолил)бен зол 1,8-2,0 Поли,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 Как первичная люминесцирующая с концентрацией 1,8 - 2,0 мас.фД ранее в ПС никогда не использовалась.Взаимосвязь люминесцентных характеристик добавки ( А макс излучения в толуоле 420 нм, квантовый выход флюоресценции 0,70) и основы - поли,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 Г,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,4-диметилстирола - и люминесцирующей добавки - 1,4-бис(5-фенилоксазолил)бензола - в отдельности, а особенностями самой сцинтилляционной композиции, в которой люминесцирующая добавка - 1,4-бис(5-фенилоксазолил) .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,4-диметилстирола) к люми 35 40 45 50 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,П р и м е р 1. В ампулу иэ термостойкого стекла загружают 1,5 мас.1,4-бис(5-фенилоксазолил)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, проводятотжиг 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; Я 25 мм и и = 12 мм; относительный световой выход 0,49 уесв; длительность сцинтилляционного импульса 0,90 нс.П р и м е р 2. В ампулу из термостойкого стекла загружают 1,8 мас, 7 ь 1,4-бис(5-фенилоксазолил)бензолаи заливают 98,2 мас, свежеперегнанного 2,4 - диметилстирола. Далее процесс осуществляют, как в примере 1, Выходные данные полученного образца: И 25 мм и и = 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 чТ-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 МЕ-И.Получение более коротких времен высвечивания с увеличением концентрации вещества, вводимого в качестве люминес 1890478центной добавки, обуславливается процессом концентрационного тушения, сопровождающегося понижением светового выхода ПС. Так сцинтиллятор, содержащий 30 г/л (3 мас, о) 1,4-бис(5-фенилоксазолил)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.%, гюз 1), уменьшает и световой выход и увеличивает длительность сцинтилляционного импульса в 1,5 раза,Замена любого из компонентов системы:. основы - поли,4-диметилстирола- или люминесцирующей добавки - 1,4-бис(б-фенилоксазолил)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 ИТ-И 1) 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)бензола в поли,4-диметилстироле сокращение времени свечения с ростом концентрации этой люминесцирующей добавки происходит быстрее (при концентрации 2 май.,), чем для известного раствора 2-(4-бифе н ил ил(-5-фен ил о кс адиаз ол а,3,4 в поливинилтолуоле 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,5,2,5 -тетра 5,. г 1 5 5 метил-и-квинквифенил - промышлен но- стью не выпускается, производство его в лабораторных условиях из-за сложности синтеза и уникальности промежуточных полупродуктов чрезвычайно дорого, Невысо Остальноедо 100,0 кая стоимость предлагаемого состава пластмассового сцинтиллятора позволяет широко использовать его в различных ядерно-физи- ческих экспериментах.5 Определение временных характеристикбыло проведено методом счета отдельных фотонов при облучении указанных сцинтилляторов электронами от радионуклидов У + Яг, Для повышения точности 10 измерительной процедуры результаты измерений подвергались математической обработке на ЭВМ ЕС, При обработке учитывалось, что в результате измерений получаются кинетические кривые, форма кото рых определяется не только формойисследуемого сигнала, а и влиянием измери-тельной 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. Ыаксимуг 1 флуоресценции этого состава ПС лежит в области максимальной чувствительности фотоэлектронногоо умножителя. Изобретение позволяет 35 упростить процесс создания пластмассовогосцинтиллятора и удешевить его стоимость,Формула изобретения Пластмассовый сцинтиллятор, включающий замещенную полистирольнуго основу, 40 активизирующую и смещающую люминесцирующие добавки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения длительности сцинтилляционного импульса и повышения светового выхода, в качестве основы ис пользован поли,4-диметилстирол, а в ка. честве активизирующей и смещающейспектр люминесцирующей добавки - 1,4- бис(5-фенилоксазолил)бензол при следующегл соотношении компонентов, мас. ;50 1,4-Бис(5-фенилоксазолил)бензол 1,8-2,0Поли,4-диметил- стиролВремя высвечивания г, нс Заявляемый сцинтиллятор 1,4 - бис (5-фенилоксазолил - 2)-бензолполи,4-диметилстирол-основа 1. 1,52. 1,83, 1,94. 2,05. 2,56. 3,0Прототипи-терфелин (3 - 4)или 2,5 - дифенилоксазол (2 - 5) 7, 4, 4 -дибром, 5, 2, 5 -тетраметил - и - квин квифенил (2-5)полистирол-основа 4200,49 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 ЙЕ - 1 И2-(4 - бифенил) - 5 фенилокса -диазол, 3, 4поли винилтолуол - основа4,0 8. 365 0,46 1,79 Составитель Е,Набатова Редактор И,Шубина Техред М.Моргентал Корректор Л,ПилипенкоПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 Заказ 1968 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5