Пластмассовый сцинтиллятор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 01 Т 1 20 ер, борющую и щие доестве остирол, в я-аллил) В 12 Н 12, ки - 2-(2 ачестве енилокзолил) ии комГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(56) Тимофеева Т.В, Атомная энергия, 1957,Т,З; М 8, с, 156,Анисимова Г.И., Данелян Л.С., ЖигачА.ф. и др. Приборы и техника эксперимента,1969, йг.1, с. 49.Ога)е О,М. Ребгпап ЮС, НагЬм С,//йцс пзт апб Мейобз оп ргауз, Вез. А 1986,А. 247, р. 576-582.(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, содерники, 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,4-диметилстирол, люминесцирующие добавки и бороргайическое соединение. В качестве первичной люминесцирующей добавки используется 2-(2-метилфенил)-5-фенилоксазол, смещающей спектр добавки(5-фенилоксазолил) 4-(5-фен ил,3,4-оксадиазол ил)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,жащий винилароматический полим содержащее соединение, активиру смещающую спектр люминесцирую бавки, согласно изобретению в кач новы содержит поли,4,-диметилс качестве борсодержащего соединени додекаборан формулы (СН 2 = СНСН 2 в качестве активирующей добав метилфенил)-5-фенилоксазол, в к смещающей спектр добавки-(5-ф сазол ил)-4-(5-фен ил,3,4-о к сади а бензол при следующем соотношен понентов, мас.:Борсодержащее соединение аллилдодекаборан Активирующая добавка 2-(2-метилфенил)-5-фе- нилоксазолимеризации. 50 55 Дабаька, смещающаяспектр, 1 (5-фениолакса зол ил)-4-(5-фенил,3,4-аксадиазалил)бензол О,ОЯ - 0,1 Полимерная основа До 100 Положительный эффект достигается только при предложенном соотношении компонентов. Содержание бора в ПС менее 18%, не изменяя световой выход композиции, значительно уменьшает эффективность регистрации тепловых нейтронов, Увеличение заявляемого предельного содержания бора до 257, не способствует полному прохождению процесса полимеризации.Синтез аллилдадекаборана осуществляют па реакцииЗйаВН 4+2 -" ВзЯв Ма"+2 йа + 2 Н 2 Ь4 ВзНв- йа+ - 012 Н 1 О 2 Ма + 2 йаН+ 1 ОН 2 В 12 Н 10 2 Ка + СН 2.= СНСН 2 Вг -+-+(СН 2=СНСН 2) В 12 Н 1 о+2 КаВг Весь Синтез проводят в среде азота, В колбу заливают ЯОО мл диметилавога эфира диэтиленгликаля (диглима), высушенного над гидридом кальция и свежеперегнаннаго, и загружают 38 г (1 моль) баргидрида натрия, Смесь нагреваот до кипения, После полного растворения боргидрида натрия прикапывают раствор 83 г(0,33 моля) иода в 400 мл диглима, Начлнается выделение осадка иодида натрия, Реакционную смесь кипятят до прекращения выделения водорода и легких бораводорадов примерно в течение 4 ч. Затем смесь охлаждают до ком натн Ол температуры, атфил ьтровывают образовавшиеся осадки, К фильтрату па каплям прибавляют 20 г (0,16 моля) брамистого аллила при температуре не выше 500 С. Кипятят 2 ч и отфильтровывают бромид натрия. Отгоняют диглим при пониженном давлении (50 - 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 продукт с температурой кипения 210 - 230 С при 12 мм рт.ст. (платность ДР,0713, показатель преломления пр -1,4365), ПС ал 20лилдадекаборан ранее не использовался,В связи с высокой растворимостью аллилдодекаборана в мономере - 2,4-диметилстироле - в сцинтилляцианную композицию можно вводить ДО 20 Д бара, т,е. практически в 1,2 раза больше, чем Он введен в прототип (15 Д),Удачное сочетание оптических характеристик первичной и вторичной люминесцирующих добавок, заключающееся в наибольшем перекрытии спектра люминесценции актйватора (2-(2-метилфенил)-(5-фениолоксазола) са спектром поглощения смесителя спектра (1-(5-фенилоксазолил)-4- (5-фенил,3,4-оксадиазолил)бензол), спо собствует более эффективному переносу "О энергии электронного возбуждения в этой си;стеме, Взаимосвязь люминесцентных характеристик добавок и специфических свойств основы - поли,4-диметилстирола, проявляющаяся в конкретном твердом растворе ПС при определенном массовом соотношении компонентов, дает неожиданный результат,Заявляемый ПС обладает при этом одновременно не талька более высоким световым выходам, но и более высокой эффективно стью регистрации тепловых нейтронов. Так, взаявляемом диапазоне концентраций люминесцирующих добавок и борсодержащего соединенля световой выход ПС составляем 38 - 4200 по отношению к антрацену, а эффективность регистрации тепловых нейтронов колеблется от 62 да 760, Выделение бора в предлагаемой концентрации позволяет сохранить достаточно большую длину ослабления света сцинтилляции (1) - 0,16 - ЗО 0,17 м, Такие высокие сцинтилляционныехарактеристики ПС заявляемого состава определяются совокупностью свойств как полимерной основы - пали,4-диметилстирола, так и всех остальных компонентов, входя щих в состав ПС. Такой неочевидный результат достигнут на основании ряда проведенных экспериментов с варьируемыми концентрациями люминесцирующих добавок и поиска полимерной основы и 40 барорганического соединения.Введение в заявляемую композициюаллилдодекаборана позволяет, проводить палимеризацию при температуре 70 С, т,е, в 2 раза ниже, чем при обычном процессе 45 палимеризации ПС, ПС заявляемого состава можно получать в виде блоков и пленок с помощью любого известного способа полИзмерения светового выхода ПС производили по анодному току фотоумножителя ФЗУ 110 по ГОСТ 17038 3-79 (детекторы ионизирующих излучений сцинтилляционные) с точечным источником /3-излучения на основе 90 У + 905 г типа БИС - 3. В качестве эталонного сцинтиллятора использовался монокристалл антрацена, световой выход которого принят за 100 Д. Измерение эффективной длины ослабления света производили на спектрафотометре СФ,Для определения эффективности регистрации тепловых нейтронов образцы ПС помещали на фотокатод Ф ЭУи в светонепроницаемом кожухе устанавливали в из-. мерительный колодец замедлителя из парафина в виде куба со стороной 500 мм. Ри+ Ве-источник нейтронов с выходом 5 10 нейтронов/с располагали в замедли- теле 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 пред- усилителя 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 5 В, обеспечивающие управление многоканальным анализатором АИ.П р и м е р 1 (поз. 2). В ампулу из термостойкого стекла загружают 2% 2-(2- метилфенил)-5-фенилоксазола, 0,1% 1-(5- фенилоксазолил)-4-(5-фен ил,3,4-оксади азолил)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 этойтемпературе 72 ч. Для уменьшения содержания остаточного мономера температуруповышают до 140 С и выдерживают в термостате 24 ч. Для снятия напряжений, развивающихся в блоке, проводят отжиг по5 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 ОО х Ь 40 мм.ф Выходные данные: относительный световой выход составляет 43% по отношению к монокристаллу антрацена, эффективность регистрации медленных нейтронов составляет 57%, эффективная длина ослабления света,175 м,П р и м е р 2 (поэ. 3). В ампулу из термостойкого стекла загружают 2% 2-(2- метилфенил(-5-фенилоксазола, 0,1% 1-(5- фенилоксазолил)-4-(5-фенил,3,4-оксади азолил)бензола, 18% (25 мл) аллилдодекаборана и заливают 82,9% свежеперегнанного 2,4-диметилстирола. Далее процесс осуществляют, как описано в примере 1. Выходные данные полученного образца5101520325 30 35 40 45 50 55 ПС; Я 40 мм и й - 40 мм, относительныйсветовой выход составляет 41%, эффективность регистрации тепловых нейтронов срставляет 62%, эффективная длинаослабления света - 0,173 м. Остальные примеры приведены в табл. 2.Втабл. 1 приведено сравнение сцинтилляционных и оптических характеристикизвестных составов ПС, прототипа и заявляемого ПС.Как видно из данных табл. 2, сцинтиллятор заявляемого состава имеет максимумизлучения 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 световойвыход при большой концентрации борсодержащего соединения. Так, прототип растворяет всего лишь 15% бора, световойвыход при этом составляет 29% по отношению к антрацену. ПС предложенного состава способна растворять до 20% бора привысоком световом выходе (42%). Это преимущество заявляемых ПС позволяет достичь хорошее разрешение сцинтилляторови расширить область их использования дляспектрометрических целей.Запредельное содержание бора (25%) вПС не позволяет процессу полимеризацииидти до конца, При этом сополимеризацияаллильного соединения с 2,4-диметилстиролом сопровождается вырождением передачицепи на мономер, Запредельное содержаниепервичной и вторичной добавки также не приводит к получению положительного эффекта,Увеличение до 20% концентрации вводимого бора при одновременном повышенниидо 42% светового выхода и значительномувеличении эффективной длины ослаблениясвета (в 1,4 раза) способствует значительному повышению (в 1,7 раза) эффективности регистрации тепловых нейтронов, чторасширяет область применения таких борсодержащих сцинтилляторов, используемых вядерных и космических экспериментах. Высокая оптическая прозрачность сцинтиллятора (эффективная длина ослабления света)дает возможность изготавливать сцинтилляторы различных размеров и сложной конфигурации, В то же время взависимости оттребований высокий световой выход в сочетании с высокой эффективностью регистра-ции тепловых нейтронов открываетвоэможность уменьшения габаритов сцинтиллятора, что весьма снизит его стоимость,1814078 20 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 неболее 5 мм 19 25 38 данные от- сутствуют 10 0,1 29 0,120 Меньшая летучесть и токсичность борсодержэщего 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 приформировании ПС 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 ЕпЗА 9)+В 20 з, пол иметилметакрилат Известный составп-терфениел 4 мас..РОРОР 0,04 мас.изопропенилкарборанполистирол ПрототипСостав и соотношениелюминесцирующих добавок неизвестно,декаборанполивинилтолуол соединения использован аллилдодекаборан формулы СН 2 - СНСН 2)В 12 Нп, в качестве активирующей люминесцирующей добавки-(2-метилфенил)5-фенилокс азол. смещающей спектр люминесцирующейдобавки-(5-фенилоксазолил)-4(5-фенил -1, 3, 4-оксадиазолил+бензол, в качестве полимерной основы -поли. 4-диметилстирол при следующем соотношении компо нентов, мас. :Указанное борсодержащее соединение . 18-20 Активирующая люминесцирующая добавка 2-315 Смещэющая спектрлюминесцирующаядобавка 0,08-0,1 Указанная полимерная основа Остальное1814078 10 Продолжение таблицы 1 Эффективная длина ослабления света,м Световойвыход,кантрацену Состав сцинтиллятора Эффективность регистрации тепловых нейтронов,Содержание бора,Заявляемый сцинтиллятор активирующая добавка: 2-(2-метил фен ил)-5-фенилоксазол -3 мас,смещающая спектр добавка:1-(5-фенилоксазолил)-4- (5-фенил, 3, 4-оксадиазолил) бензол 0,08-0,1 мас. о борорганическое соединение:аллилдодекаборан поли, 4- иметилсти ол 38-42 62-71 0.175-0,161 Таблица 2 Состав с интиллято а, мас. ММ и/и Ям к излучнм Световой выход, Я, к антраце- ну Эффективность регистрации тепловых нейтронов,Эффективная длина ослабления света,м смеситель борорганиспектра ческое сое- динение активатор 415 Заявляемый с интиллято 2 0,12 Прототип ВС - 454 процесс полимеризации не проходит до конца 25 425 29 , 45 О 120 15 Соотношение компонентов не казаноЗаказ 1827 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина,.101 1.2,3.4.5,6,7. 1 2 2 2 3 3 3,5 0,10 0,10 О,10 0,10 0,08 0,05 0,10 18 15 18 20 18 20 20 27 41 41 38 42 37 29 37 57 62 71 63 71 56 0,120 0,175 0,173 0,162 0,161 0,152 0,112