VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Аннотация

Пластмассовые сцинтилляторы (ПС) имеют естественные ограничения при регистрации отдельных видов излучений. В первую очередь это касается низкой эффективности регистрации ими рентгеновских и мягких γ–квантов. Такая особенность свойств этих материалов связана с их элементным составом, который характеризуется высоким содержанием легких элементов (углерода и водорода) и отсутствием элементов с высоким порядковым номером. Однако, благодаря молекулярному характеру люминесценции ПС, решение проблемы лежит в допировании ПС соединениями тяжёлых металлов. Введение в состав пластмассовых сцинтилляторов соединений элементов с высоким атомным номером приводит к увеличению коэффициента линейного ослабления электромагнитного излучения.

В настоящей бакалаврской работе получены экспериментальные образцы оловосодержащих ПС на основе полистирола. В качестве оловосодержащей добавки использовано тетрафенилолово. Измерены спектры поглощения и световыход полученных образцов. Показано, что прозрачность оловосодержащих ПС очень сильно зависит от степени очистки тетрафенилолова.

Настоящая работа выполнена в ЗАО «Научно – производственный центр «Аспект».

Abstract

Plastic scintillators (PS) are naturally limited to detect certain types of radiation. It concerns primarily the low detection efficiency of X-rays and soft γ-rays. The feature of the properties of these materials is related to their elemental composition, which is characterized by the high content of light elements (carbon and hydrogen) and the absence of elements with high atomic numbers. However, due to the molecular nature of the luminescence of plastic scintillators, the solution of the problem lies in doping plastic scintillators with heavy metal compounds. The introduction of compounds which are made of elements with high atomic numbers into the composition of plastic scintillators results in an increase in linear attenuation coefficient of electromagnetic radiation.

The bachelor paper presents experimental samples of tin-bearing plastic scintillators based on polystyrene. Within the framework of the paper tetraphenyltin was used as a tin-bearing additive. The absorption spectra and light output of the obtained samples were measured. It was shown that the transparency of tin-bearing plastic scintillators depends heavily on the degree of tetraphenyltin purification.

This work was performed at Closed Joint Stock Company Scientific Production Center "Aspect".

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 6

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МЕТОДА 8

1.1. ВИДЫ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ 9

1.1.1. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ 9

1.1.2. ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ 10

1.1.2.1. ПЛАСТМАССОВЫЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ 13

1.1.2.1.1 ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ 14

1.1.2.1.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ 15

2. ЭЛЕМЕНТОСОДЕРЖАЩИЕ ПЛАСТМАССОВЫЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ 16

3. ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 19

3.1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ 19

3.2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 27

ВВЕДЕНИЕ

Разработка и создание детекторов с высокой эффективностью регистрации продуктов ядерных реакций – одна из главных задач экспериментального обеспечения исследований в области ядерной физики, физики элементарных частиц и астрофизики. Очень часто в качестве основы для широкого круга детектирующих систем используются органические сцинтилляторы, которым посвящен ряд монографий и обзорных статей [1-5].

Впервые пластмассовые сцинтилляторы были получены в 1952 году на основе полистирола с пара-терфенилом. История развития сцинтилляционных методов детектирования ионизирующих соединений началась за долго до этого. Свечение некоторых веществ под действием катодных и рентгеновских луче было замечено еще в конце XIX века. С развитием ядерной физики потребность в недорогих и точных методах регистрации ядерного и ионизирующего излучений возросла. Создание фотоэлектронных умножителей позволило быстро и легко регистрировать эти излучения с помощью сцинтилляционного метода.

Существует множество видов сцинтилляторов, но среди их разнообразия наибольшей популярностью пользуются органические сцинтилляторы. Их преимуществом, по сравнению с другими сцинтилляционными материалами, является недорогое изготовление, возможность варьирования состава, в том числе элементного.

Наиболее велика чувствительность органических сцинтилляторов обычного состава (характеризующихся высоким содержанием углерода и водорода) к заряженным частицам: электронам, протонам, α – частицам и др. Однако, они обладают естественной ограниченностью при регистрации γ- и рентгеновских квантов из-за отсутствия в этих материалах атомов с высоким средним атомным номером. Это неудивительно, так как атомы легких элементов обладают низким сечением фотоэлектрического поглощения и невысокой вероятностью комптоновского рассеяния [6].

Молекулярный характер люминесценции органических сцинтилляторов открывает возможности модификации их состава и создания на их основе целого спектра детекторов, пригодных для решения физических задач как фундаментального, так и прикладного характера. Введение в полимерную или жидкую сцинтилляционную композицию добавок на основе некоторых элементов необходимо при создании сцинтилляторов с повышенной эффективностью регистрации отдельных видов излучения. Так, введение в их состав атомов «тяжелых» элементов, таких как олово, свинец, висмут и некоторых других, позволяет повысить эффективность регистрации γ- и рентгеновских квантов [6].

Для решения множества фундаментальных и прикладных задач необходимы сцинтилляторы с повышенной регистрацией γ- и рентгеновского излучений, поэтому основной целью настоящей работы является разработка таких пластмассовых сцинтилляторов. В литературе немало сведений по данной тематике, но, тем не менее, даже точное воспроизведение описанных методик получения сцинтилляторов, содержащих «тяжелые» элементы, не дает нужных результатов.

Актуальность темы исследования определяется его направленностью: разработкой способа получения пластмассовых сцинтилляторов с повышенной эффективностью регистрации мягкого γ- и рентгеновского излучений.

Настоящая бакалаврская работа выполнена в ЗАО «Научно-производственный центр «Аспект», одном из ведущих российских предприятий по разработке и производству оборудования для обеспечения радиационной безопасности.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МЕТОДА

Сцинтилляторы — вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма- и рентгеновских квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). В сцинтилляционном детекторе свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике, преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается той или иной регистрирующей системой.

Рис. 1. Блок-схема сцинтилляционного детектора [7].

Как и для детектора любой природы, основное свойство сцинтилляционного детектора – это эффективность регистрации им ионизирующего излучения, определяемая как вероятность регистрации частицы при попадании в рабочий объем детектора. Специфической для сцинтилляционного метода, но не менее важной, чем эффективность регистрации характеристикой, является световыход (количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определенного количества энергии).

Эффективность регистрации определяется, в первую очередь элементным составом и плотностью материала сцинтиллятора. Органические сцинтилляторы обычного состава (полимерный растворитель и люминесцентные добавки) обладают наибольшей чувствительностью к заряженным частицам: электронам, протонам, α-частицам и др, но низкой эффективностью регистрации рентгеновского и γ–излучения. Однако молекулярный характер люминесценции органических сцинтилляторов позволяет модифицировать их состав, вводя необходимые добавки для направленного изменения их свойств. Так, добавление органических сцинтилляторов атомов тяжелых металлов, помогает регистрировать γ- и рентгеновское излучение за счет высокого порядкового номера атомов, который увеличивает фотоэлектрическое поглощение и вероятность комптоновского рассеяния [6].

Фотоэффект, представляет собой возможность испускание электронов веществом под действие света (или любого другого электромагнитного излучения) [8].

Эффект Комптона — некогерентное рассеяние фотонов на свободных электронах. Эффект сопровождается изменением частоты фотонов, часть энергии которых после рассеяния передается электронам [9].

Механизм непосредственно сцинтилляционного процесса чрезвычайно сложен, но может быть описан несколькими этапами [10]:

• передача энергии налетающей частицы на возбуждение атомов и молекул и на образование вторичных частиц, вызывающих, в свою очередь, ионизацию и возбуждение;

• перенос энергии от возбужденных или ионизированных частиц к непосредственно высвечивающим центрам (атомам, ионам, молекулам или более сложным комплексам);

• испускание света сцинтилляции высвечивающим центром.

Механизм первой стадии, включающий в себя первичное взаимодействие излучения с веществом сцинтиллятора, зависит от элементного состава и плотности сцинтилляционного материала [6].

1.  
   1. ВИДЫ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

По своему агрегатному состоянию сцинтилляторы могут быть твердыми или жидкими. В зависимости от химической природы – органическими или неорганическими.

1.  
   1.  
      1. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Чаще всего в качестве неорганических сцинтилляторов используются монокристаллические или поликристаллические материалы. Это, в основном, галоидные соединения некоторых щелочных металлов. Для увеличения светового выхода таких сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами (например, таллий). Так, например, широко используются :

• активированные йодиды щелочных металлов: йодид натрия, допированный таллием; йодид цезия, допированный таллием; йодид лития, допированный сурьмой или европием;

• активированные сульфиды: сульфид цинка, допированный серебром; сульфид кадмия, допированный серебром.

Сцинтилляционными свойствами обладают также вольфраматы кальция, кадмия, гадолиния и свинца. Щелочно-галоидные соединения испльзуются в виде монокристаллов, размеры которых могут быть достаточно велики. Сульфиды и вольфраматы — в виде совсем небольших кристаллов и в виде микрокристаллических порошков. Эти сцинтилляторы применяются для регистрации γ-излучения, так как обладают большим средним порядковым номером и высокой плотностью. Малой гигроскопичностью обладают кристаллы йодида цезия, которые могут использоваться в сцинтилляционных счётчиках даже в атмосферных условиях.

1.  
   1.  
      1. ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Органические сцинтилляторы включают в себя:

1. органические монокристаллы (антрацен, транс-стильбен, толан, п-терфенил и др.);

Рис. 2. Некоторые органические вещества, применяемые для получения монокристаллов [7].

1. жидкие сцинтилляторы (растворы органических люминофоров в жидких растворителях, например, в толуоле, п-ксилоле, псевдокумоле, α-метилнафталине, керосине, уайт-спирите, минеральных маслах и др.);

Рис.3. Наиболее распространенные растворители, для получения жидких сцинтилляторов [7].

1. Пластмассовые сцинтилляторы. Это твердые растворы органических люминофоров в полимерных растворителях, таких как

Рис.4. Некоторые полимеры, применяемые для получения пластмассовых сцинтилляторов [7].

Пластмассовые и жидкие сцинтилляторы – достаточно близкие по своей природе материалы. Основными их компонентами являются [11]:

• основное вещество сцинтиллятора – вещество, прозрачное для фотонов сцинтилляции, весовое содержание, которого в сцинтилляторе преобладает;

• сцинтилляционная добавка – примесь в основном веществе сцинтиллятора, способная испускать оптические фотоны под действием возбуждения, полученного от молекул основного вещества;

• вторичная сцинтилляционная добавка – вещество, вводимое в органический сцинтиллятор и преобразующее световое излучение сцинтилляционной добавки, в более длинноволновое.

Основными достоинствами жидких и пластмассовых сцинтилляторов являются [6]:

• быстродействие;

• повышенная радиационная стойкость;

• простота создания детекторов любой формы и конфигурации;

• возможность создания детекторов больших размеров;

• относительная низкая стоимость;

• низкий собственный радиационный фон;

• возможность реализации относительно простых способов очистки от радиоактивных загрязнений.

При этом жидкие композиции характеризуются высоким значением прозрачности к собственному излучению и возможностью идентификации частиц по форме импульса, в то время как пластмассовые – пожаробезопасностью и нетоксичностью [6].

Не все органические люминофоры могут быть сцинтилляторами. Важным требованием к таким веществам, является способность растворителя к эффективной передаче энергии возбуждения к центрам высвечивания. Поэтому в качестве растворителя необходимо использовать растворители, содержащие ароматические фрагменты, которые обеспечивают определенное расположение молекулярных уровней. Полиметилметакрилат не является ароматическим соединением, в этом случае необходимо использовать вторичный растворитель, например, нафталин.

При подборе сцинтилляционных добавок необходимо соблюдать следующие условия [7]:

•  

  • интенсивное поглощение и высокий квантовый выход добавок;

  • перекрывание спектра излучения основного вещества сцинтиллятора со спектром поглощения сцинтилляционной добавки;

  • перекрывание спектра излучения сцинтилляционной добавки со спектром поглощения сместителя спектра;

  • спектр излучения вторичной сцинтилляционной добавки (сместителя спектра) должен находиться в области, доступной для регистрации наиболее распространенными типами ФЭУ или другими устройствами.

Рис.5. Спектры поглощения (сплошные линии) и люминесценции (пунктир) компонентов сцинтилляционной композиции [7].

Таким требованиям удовлетворяют ароматические соединения. Некоторые из наиболее распространенных сцинтилляционных добавок представлены на рисунках 6 и 7.

Рис.6. Наиболее распространенные сцинтилляционные добавки [6].

Рис.7. Некоторые люминофоры, применяемые в качестве сместителей спектра [6].

1.  
   1.  
      1.  
         1. ПЛАСТМАССОВЫЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы активирующих добавок в полимерных растворителях. В качестве люминесцирующих добавок используют п-терфенил (РРР), 2,5-дифенилоксазол (РРО) и другие активирующие (первичные) добавки и 1,4-бис-5-фенил-2-оксазолил-бензол (РОРОР) или его производные, в качестве сместителей спектра.

Мономерами при их изготовлении наиболее часто служат полистирол и поливинилтолуол [10]. Известны, и в настоящее время серийно выпускаются, ПС на основе полистирола и полиметилметакрилата.

Основные свойства пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирола и поливинилтолуола приведены в таблице 1.

Таблица 1. Свойства пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирола и поливинилтолуола [7].

Свойство	Полистирол	Поливинилтолуол
Плотность, г/см3	1,06	1,03
Показатель преломления	1,52	1,58
Гигроскопичность	Нет	Нет
Длина волны максимума в спектре излучения, нм	380-425	370-500
Световыход,относительно монокристалла антрацена, %	39-57	11-68
Отношение Н:С	1	1,1
Быстродействие, нс	2-3	0,7-285

Многие свойства этих сцинтилляторов близки или даже практически одинаковы. Важным преимуществом ПС на основе поливинилтолуола является их более высокий световыход. Такие сцинтилляторы выпускают мировые в этой области как «SaintGobain» и «EljenTechnology». Однако в России отсутствует производство винилтолуола и основой для пластмассовых сцинтилляторов служит полистирол. Стирол, мономер для его производства, дешев и доступен, так как в огромных количествах производится на нефтехимических предприятиях и широко используется для производства синтетического каучука, автомобильных покрышек, конструкционных, электроизоляционных материалов, пенопластов и др.

1.1.2.1.1 ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Пластмассовые сцинтилляторы нашли широкое применение в ядерной физике, физике элементарных частиц, физике высоких энергий, нейтронной физике, физике нейтрино, отдельных направлениях астрофизических исследований. Эти материалы с успехом используются и при решении ряда прикладных задач [13]:

• радиоэкологический мониторинг объектов окружающей среды, жилья, строительных материалов, продуктов питания, воды;

• контроль за несанкционированным перемещением радиоактивных материалов;

• физическая защита ядерных объектов, аэропортов, правительственных учреждений.

1.1.2.1.2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Получение пластмассовых сцинтилляторов основано на методах получения пластмасс и изделий из них [7]:

• радикальная полимеризация в массе;

• суспензионная полимеризация;

• методы переработки пластмасс: литье под давлением и экструзия.

Выбор метода зависит от размера, конфигурации изделия и дальнейшей области применения пластмассового сцинтиллятора.

Метод суспензионной полимеризации применяется для получения сцинтилляционных гранул.

Такие методы, как экструзия и литье под давление (методы переработки пластмасс), являются очень перспективными в настоящее время. С помощью экструзии становится легко производить сцинтиллирующие стекла, пленки, нити, трубки, капилляры и т.д. Метод литья под давление используют при получении сцинтиллирующих пластин и изделий сложной конфигурации.

Однако наиболее распространена радикальная полимеризация, так как данный метод обладает некоторыми преимуществами [7]:

• наилучшие счетные и спектрометрические характеристики материала;

• высокая прозрачность;

• возможность изготовления сцинтилляторов больших размеров и различной конфигурации.

Основными стадиями технологического процесса производства заготовок пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирола методом радикальной полимеризации являются:

1. Обезвоживание технического стирола.

2. Вакуумная перегонка обезвоженного технического стирола.

3. Приготовление раствора сцинтилляционных добавок в стироле.

4. Фильтрация и загрузка раствора сцинтилляционных добавок в стироле в форму для полимеризации.

5. Полимеризация

Рис.8. Полимеризация стирола.

1. ЭЛЕМЕНТОСОДЕРЖАЩИЕ ПЛАСТМАССОВЫЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Выше уже было сказано об ограничении использования ПС в некоторых областях. Так, например, они хорошо регистрируют электроны, и другие заряженные частицы, нейтроны высоких и средних энергий, но плохо – тепловые нейтроны, рентгеновское и γ–излучение. Эту проблему можно обойти модифицированием состава, пластмассовых сцинтилляторов, введением в сцинтилляционную композицию элементов и/или их изотопов, повышающих вероятность взаимодействия с определенным видом излучения.

В зависимости от вводимой добавки могут быть зарегистрированы различные виды излучения. В таблице 2 представлены области использования уже известных и перспективных элементосодержащих пластмассовых сцинтилляторов.

Таблица 2. Применение элементосодержащих пластмассовых сцинтилляторов [14].

Элементы или изотопы	Применение элементосодержащих пластмассовых сцинтилляторов
6Li, 10B, 113Cd, 155Gd, 157Gd, 235U	Всеволновые детекторы нейтронов, поиск нейтринных осцилляций
37Cl, 100Mo, 115In, 160Gd, 176Yb	Регистрация солнечных нейтрино
	Регистрация астрофизических нейтрино и космических лучей
19F, 73Ge	Поиск Темной Материи
76Ge, 82Se, 100Mo, 130Te, 150Nd, 160Gd	Поиск двойного β-распада
Sn, W, Hg, Pb, Bi	Калориметры полного поглощения

К настоящему времени уже накоплен огромный опыт получения элементосодержащих ПС. Как правило, основная цель из разработчиков – приготовление растворов элементосодержащих добавок в органических сцинтилляционных композициях. Кроме достаточной растворимости в неполярных и слабополярных органических средах элементосодержащие добавки в зависимости от предполагаемой области использования сцинтиллятора должны удовлетворять тому или иному набору требований, таких как [6]:

• хорошая растворимость в неполярных и слабополярных органических средах;

• оптическая прозрачность в диапазоне 300 - 600 нм;

• термическая устойчивость;

• устойчивость к атмосферному кислороду;

• устойчивость к атмосферной влаге;

• фотоустойчивость;

• устойчивость к иным воздействиям.

Подходы, применяемые при разработке как жидких, так и пластмассовых сцинтилляторов с «тяжелыми» элементами, достаточно близки и связаны с достижениями химии элементоорганических соединений. Хорошо известно, что переходные элементы IV – VI групп периодической системы способны к образованию ковалентных связей с атомами углерода. Некоторые из этих соединений обладают достаточной растворимостью в полимерных и жидких сцинтилляционных композициях, а так же высокой устойчивостью к кислороду, влаге и повышенной температуре. Среди этих металлоорганических соединений, как ароматического, так и алифатического рядов [15-22].

Рис.9. Металлоорганические соединения ароматического ряда [15-22].

Рис.10. Металлоорганическая добавка алифатического ряда [23-25].

Введение любого тяжелого элемента приводит к значительному снижению световыхода.

В ряде работ [27-33], описывались методы получения ПС содержащих атомы «тяжелых» металлов, в том числе и олова. В этих работах использовались металлорганические соединения ароматического ряда (рис 9). Среди ранее опубликованных работ, в большинстве случаев, авторы сталкивались с некоторым рядом проблем. А именно:

• помутнение образцов после полимеризации;

• окрашивание образцов;

• образование пузырей;

Для решения этих проблем авторы прибегали к дополнительной очистке элементосодержащих добавок и подборки оптимального режима полимеризации.

1. ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.  
   1. ПОЛУЧЕНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

В качестве добавок использовались следующие вещества:

Тетрафенилолово квалификации ХЧ.

п – терфенил (РРР) и 1,4-бис-5-фенилоксазолил- 2-бензол ( РОРОР) квалификачии ХЧ.

Для изготовления лабораторных проб нами использовался заранее обезвоженный и очищенный методом вакуумной перегонки стирол.

80 мл чистого стирола нагревают на плитке в круглодонной колбе до 60-65⁰С, постепенно добавляя п-терфенил, РОРОР и тетрафенилолово в количествах, соответствующих 1,5% масс., 0,04% масс. и 1% от массы стирола, соответственно. Тетрафенилолово предварительно очищают методом перекристаллизации. После полного растворения добавок раствор фильтруют через стеклянную воронку с бумажным фильтром в ампулу для полимеризации. Из ампул откачивается воздух во избежание попадания его в образец. Для этого подключают насос к газоотводной трубке в колбе, затыкая горловину пробкой и откачав воздух перекрывают трубку зажимом. После этого ампулу помещают в закрытый термостат, заполненный глицерином. Термостат управляется программой «Термодат».

Полимеризация проводилась при определенном температурном режиме, состоящем из нескольких зон.

Рис. 11. Температурный режим полимеризации: зона 1 – загрузка раствора сцинтилляционных добавок в стироле в колбы для полимеризации при 80⁰С и выдержка при ней в течение 24 часов; зона 2 – подъем температуры до 130 ⁰С со скоростью 10 ⁰ в час; зона 3 – выдержка при 130 ⁰С в течение 30 часов; зона 4 – снижение температуры до 70 ⁰С со скоростью 2 ⁰ в час.

Из полученной сцинтиллирующей пластмассы методом механической обработки изготовили образцы для исследования диаметром мм и высотой мм.

Спектры поглощения образцов были измерены на спектрофотометре Unico 2800.

Световыход был измерен на сцинтилляционном спектрометре Научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований. Принципиальная схема этой установки изображена на рисунке 12.

Рис. 12.Схема установки для измерения световыхода ПС: 1 – светозащитный короб; 2 – радиоактивный источник; 3 – исследуемый ПС; 4 – ФЭУ; 5 – источник высокого напряжения; 6 – предусилитель; 7 – усилитель; 8 – преобразователь сигнала.

1.  
   1. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При первых же попытках получения опытных образцов оловосодержащих пластмассовых сцинтилляторов мы столкнулись с двумя проблемами:

• образование пузырей;

• образование в стироле нерастворимого хлопьевидного осадка при приготовлении раствора для полимеризации.

Наличие пузырей в сцинтиллирующей пластмассе – частое явление, которое связано с неоптимальным режимом полимеризации для выбранной геометрии образца и формы (ампулы) для полимеризации. В первых экспериментах нами использован температурный режим, «заточенный» для полимеризации больших объемов (рис. 13). Проблема связана с экзотермическим характером процесса и самопроизвольным закипанием стирола. Очевидно, что это происходит в начале зоны 2. При полимеризации повышается вязкость среды, одновременно с самопроизвольным закипанием. В какой - то момент вязкость становится очень большой и пузыри паров стирола «замерзают» в полимеризуемом образце. Поэтому важно было подобрать такой температурный режим полимеризации, в котором большая часть тепла эффективно выделилась бы без кипения стирола. Для этого было разумно увеличить продолжительность форполимеризации (зона 1). Одновременно с этим, учитывая малый объем образцов, для сохранения общей продолжительности процесса, мы посчитали возможным понизить температуру полимеризации (рис. 14).

Рис.13. Режим полимеризации №1: зона 1 – загрузка раствора сцинтилляционных добавок в стироле в колбы для полимеризации при 80⁰С и выдержка при ней в течение 15 часов; зона 2 – подъем температуры до 160 ⁰С со скоростью 10 ⁰ в час; зона 3 – выдержка при 160 ⁰С в течение 30 часов; зона 4 – снижение температуры до 70 ⁰С со скоростью 2 ⁰ в час.

Итоговый режим полимеризации №2 получился следующим.

Рис. 14. Режим полимеризации №2: зона 1 – загрузка раствора сцинтилляционных добавок в стироле в колбы для полимеризации при 80⁰С и выдержка при ней в течение 24 часов; зона 2 – подъем температуры до 130 ⁰С со скоростью 10 ⁰ в час; зона 3 – выдержка при 130 ⁰С в течение 30 часов; зона 4 – снижение температуры до 70 ⁰С со скоростью 2 ⁰ в час.

Очевидно, что решение второй проблемы могло быть найдено дополнительной очисткой тетрафенилолова, наиболее простым способом которой является перекристаллизация. Нами для этой цели был использован толуол. Однако эффект был недостаточным и полученные образцы сцинтилляторов имели мутно-желтую окраску. На рисунке 15 представлен спектр поглощения образца 1, очищенного однократно и содержащего 1% процент терафенилолова.

Рис.15 Спектр поглощения образца, содержащего тетрафенилолово после однократной перекристаллизации.

Как говорилось ранее, авторы работ по разработке методик получения сталкивались с проблемами помутнения и окраски образцов, очевидно, что мы столкнулись с такой же проблемой (степень чистоты тетрафенилолова сильно влияет на окраску сцинтиллятора). В связи с чем во втором случае было принято решение провести перекристаллизацию трехкратно. На рисунке 16 представлен спектр поглощения образца № 2 содержащего 1% тетрафенилолова, перекристаллизованного трижды.

Рис. 16. Спектр поглощения образца, содержащего тетрафенилолово после тройной перекристаллизации.

Полученное после этого вещество намного быстрее растворялось в стироле и прозрачность образцов заметно повысилась. Нами было решено улучшить результат путем адсорбционной очистки через колонку с Al₂O₃. Однако пропустить вещество через колонку с адсорбентом не получилось из-за его плохой растворимости даже в горячем толуоле, оно начинало кристаллизоваться, не успев выйти из колонки. Поэтому было решено пропустить горячий раствор его через слой Al₂O₃ в стеклянной воронке. На рисунке 17 представлен спектр поглощения образеца №3 содержит 1% тетрафенилолова, который был перекристаллизован трижды и отфильтрован через слой Al₂O_3.

Рис. 17. Спектр поглощения образца, содержащего тетрафенилолово после трехкратной перекристаллизации + адсорбционной очистки.

Образцы, полученные с веществом после этой очистки, были прозрачные и имели очень слабую окраску.

На рисунке 18 представлен спектр поглощения образца ПС, не содержащего олова и спектры поглощения образцов оловосодержащих ПС (концентрация олова – 1% масс.) с тетрафенилоловом разной степени очистки.

Рис.18. Спектр поглощения образца ПС, не содержащего олова и спектры поглощения образцов оловосодержащих ПС (концентрация олова – 1% масс.) содержащих тетрафенилолово разной степени очистки: №1 – одна перекристаллизация, №2 – три перекристаллизации, №3 – три перекристаллизации и фильтрование через слой окиси алюминия.

Очевидно, что увеличение прозрачности полученных оловосодержащих ПС находится в прямой зависимости от чистоты использованного тетрафенилолова.

Световыход же полученных материалов практически не зависит от чистоты оловосодержащей добавки и во всех случаях составляет четверть от световыхода ПС «стандартного состава» (таблица 3). Возможно, это связано с особенностями геометрии полученных образцов (их малой толщиной). В любом случае этот факт требует дополнительного более подробного исследования.

Таблица 3. Световыход образцов оловосодержащих ПС относительно образца «стандартного состава».

Очистка тетрафенилолова	Световыход, %
Однократная перекристаллизация	25
Трехкратная перекристаллизация	25
Трехкратная перекристаллизация + адсорбционная очистка	28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Подготовлен литературный обзор о составе, свойствах, областях применения пластмассовых сцинтилляторов.

2. Подтверждена возможность использования тетрафенилолова для получения оловосодержащих пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирола.

3. Разработан температурный режим стадии полимеризации, адаптированный для получения лабораторных образцов пластмассовых сцинтилляторов малого объема на основе полистирола.

4. Получены экспериментальные образцы оловосодержащих пластмассовых сцинтилляторов с массовой долей олова 1%.

5. Показано, что прозрачность полученных образцов очень сильно зависит от степени очистки оловосодержащей добавки – тетрафенилолова.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н.Н.Барашков, О.А. Гуднер. Флуоресцирующие полимеры. Москва , Химия, 1987. - 224с.

2. Ю.К.Акимов. "Детекторы ядерных излучений на основе пластических сцинтилляторов". ЭЧАЯ, 1994, том 25, вып.2.- 497с.

3. Ю.К. Акимов. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. М.: изд-во МГУ, 1963. – 3с.

4. Н.З. Галунов, В.П. Семиноженко. Теория и применение радиолюминесценции органических конденсированных сред. Научный журнал: Наукова думка, Киев, 1997. - 280 с.

5. Б.В. Гринев, В.Г. Сенчишин. Пластмассовые сцинтилляторы. Харьков, Арка, 2003. - 324 с.

6. В.Б. Бруданин, И.Б. Немченок. Элементосодержащие органические сцинтилляторы. Харьков, ИСМА, 2009. - 332 с.

7. И.Б. Немченок. Пластмассовые сцинтилляторы как основа детекторов в современной экспериментальной физике. В сб.: труды пятой Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. Нальчик, БМШ ЭТФ, 2005, том 2. - 134-153с.

8. Лукирский П. И. О фотоэффекте. Москва, ГТТИ, 1933. – 97c.

9. Борн, М.Атомная физика. Москва, Мир, 1965. — 389с.

10. Б.М. Красовицкий, Б.М. Болотин. Органические люминофоры. Москва, 2-е изд. перераб., Химия, 1984. - 336 с.

11. ГОСТ 23077-78, Детекторы ионизирующих излучений сцинтилляций. Термины, определения и буквенные обозначения.

12. Красовицкий Б.М., Болотин Б.М. Органические люминофоры. Москва, Химия, 1984. – 320с.

13. Б.В. Гринёв, В.Г.Сенчишин. Пластмассовые сцинтилляторы. Харьков, Акта, 2003. – 324с.

14. V.I. Bregadze, V.B.Brudanin, D.V. Filossofov, et al., Particle and Nuclei, Litters, 2009. – 109с.

15. Basile L.J., J. Chem. Phys., 1957, V. 27, No 3, P. 801.

16. В.А.Андреещев, Е.Е. Барони, Н.С. Курсанова, И.М. Розман. Пластмассовые сцинтилляторы. ПТЭ, 1961, № 4. – 2с.

17. Е. Е. Барони, С.Ф. Килин, Т.Н. Лебсадзе. Атомная энергия, 1964, Т. 17, В. 4. – 497с.

18. О.А. Гундер, А.В. Чернобай, Л.Н. Колесников. Способ получения пластмассовых сцинтилляторов. ПТЭ,1964, № 2. – 120с.

19. О.А. Гундер, Л.Л. Нагорная, А.В. Чернобай. В сб.: «Монокристаллы, сцинтилляторы и органические люминофоры». 1967, №2. – 72с.

20. Гундер О.А., Коба В.С., Николова Э.П. В сб.: «Монокристаллы и сцинтилляционные материалы», № 2, 1978. – 95с.

21. Патент РФ. 2080625, Жидкие сцинтилляторы для регистрации гамма – квантов / В.И. Береснев, Ю.Я. Марков. Патентообладатель: Институт ядерных исследований РАН; заявл.: 18.04.1994; опубл. 27.05.1997. – 1с.

22. Britvich G.I., Britvich I.G., Vasil’chenko V.G. et. al. Nucl. Instr. & Methods, 1999, V. A426, P. 453.

23. Ashfold C.B., Berlman I.B., Flournoy J.M. et . al. Nucl. Instr. & Methods, 1986, V. A243, P. 131.

24. Патент РФ. 2087009, Жидкий сцинтиллятор для регистрации гамма-квантов / Береснев В.И., Марков Ю.Я. Правообладатель: Государственный научный центр РФ «ИЯИ РАН», заявл.: 13.07.1995; опубл. 10.08.1997. – 2с.

25. Hwang M.J., Kwon Y.J.,Kim H.J. et. al. Nucl. Instr. & Methods, 2007, V. A570, P.454.

26. И.Б. Немченок. Пластмассовые сцинтилляторы как основа детекторов в современной экспериментальной физике. В сб.: труды пятой Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. БМШ ЭТФ. Нальчик, 2005, Т.2. - 134-153с.

27. Патент РФ. 2031902, Способы получения крупногабаритных пластмассовых сцинтилляторов / Сенчишин В. Г., Галич Ю.М., Корнеева О. Г. Заявитель Научно-производственное объединение "Монокристаллреактив", патентообладатель Институт монокристаллов АН Украины. - 4945411/05; заявл. 17.06.1991;. опубл. 27.03.1995. - 1с.

28. Патент СССР. 818287, Пластмассовый сцинтиллятор / Сенчишин В. Г., Петрова И.Б., Гундеро О.А., Волосюк Г.П., Битеман В. Б. заявл. 16.11.79; опубл. 30.12.1992. - 1с.

29. Патент СССР. 1095789, Способ получения пластмассового сцинтиллятора / Сенчишин В. Г., Петрова И.Б., Гундеро О.А., Волосюк Г.П., Битеман В. Б. заявл. 03.11.1982; опубл.15.01.93. – 1с.

30. Патент РФ. 2087009, Жидкий сцинтиллятор для регистрации гамма-квантов / Береснев В.И., Марков Ю.Я.

31. G.I.Britvich, I.G.Britvich, V.G.Vasil’chenko, V.A.Lishin, V.F.Obraztsov, V.A.Polyakov, A.S.Solovjev. Search for new scintillators for high energy resolution electronic colorimeter. JINR, Dubna, Moscow region, State Research Center of Russia Institute for High Energy Physics, 1998. – 21с.

32. L.J. Basile. Characteristics of Plastic Scintillators. Argonne National Laboratory, Lemont, Illinois, 1957. – 6c.

33. M.J. Hwang, Y.J. Kwon, H.J. Kim, J.W. Kwak, S.C. Kim, S.K. Kim, T.Y. Kim, S.Y. Kim, H.S. Lee, J. Lee, M.J. Lee, S.S. Myung, Y.D. Kim, J.I. Lee, W.G. Kang, I.S. Hahn. Development of tin-loaded liquid scintillator for the double beta decay experiment. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2007. – 5c.

34. Сцинтилляторы. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Сцинтилляторы (дата обращения 10.05.2014)

35. Основные свойства неорганических сцинтилляторов. URL: http://entelehia.ru/lec-4763.html (дата обращения 27.05.2015)

36. Bismuth-loaded plastic scintillators for gamma-ray spectroscopy. URL.: http://heterodoxy.cc/meowdocs/chempubs/EPL2012.pdf (дата обращения 27.05.2015)

37. Balloon – Borne gamma – ray polarimetry. URL.: http://spaceflight.esa.int/pac-symposium_archives/files/papers/s13_1pearce.pdf ( дата обращения 27.05.2015)

Код для цитирования: Скопировать