CC BY
31
УДК 519.25.256
Щербаков С.Г., Чередниченко А.Г., Федорков В.Г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ 4-(4'-ЙОДФЕНИЛ)СТИЛЬБЕНА НА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ
Щербаков Сергей Геннадьевич - начальник отделения, АО «Институт физико-технических проблем», Россия, г. Дубна Московской области
Федорков Виктор Георгиевич - к.т.н., доцент, директор АО «Институт физико-технических проблем», Россия, г. Дубна Московской области
Чередниченко Александр Генрихович - д.х.н., ведущий научный сотрудник кафедры химии и технологии кристаллов; e-mail: [email protected]
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия , 125047, Москва, Миусская пл., д.9.
В ходе проведенных исследований изучено влияние 4-(4'-йодфенил)стильбена на световые характеристики образцов пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирола и пара-терфенила. Показано, что увеличение содержания пара-терфенила и 4-(4'-йодфенил)стильбена приводят к уменьшению светового выхода и времени высвечивания синтезированных образцов материалов. Оптимизация состава позволила получить полистирольный пластмассовый сцинтиллятор с временем высвечивания 0,76 нс.
Ключевые слова: дозиметрия, органические люминофоры, пластмассовые сцинтилляторы
STUDY OF THE INFLUENCE 4-(4'-IODOPHENYL)STILBENE ON LUMINESCENT PROPERTIES OF PLASTIC SCINTILLATORS
Scherbakov Sergey Gennadyevich, Cherednichenko Aleksandr Genrihovich*, Fedorkov Victor Georgievich Joint Stock Company " INSTITUTE OF PHYSICAL-TECHNICAL PROBLEMS", Dubna, Russia * D.I.Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia,
The studies have examined the influence of 4-(4 -iodophenyl)stilbene on the light characteristics of the samples of plastic scintillators. It was shown that the increase of the content of para-terphenyl and 4-(4 -iodophenyl)stilbene led to the decrease in light output and time glow ofplastic scintillators. Optimization of the samples composition allowed us to obtain a plastic scintillators with the time glow 0,76 ns.
Key words: dosimetry, organics luminophores, plastic scintillators
В настоящее время вопросы мониторинга состояния окружающей среды играют огромное значение для обеспечения нормальной жизнедеятельности человечества. Большое внимание в этом плане уделяется организации процесса достоверного дозиметрического контроля. Для детектирования различных видов излучений кроме неорганических материалов часто используют различные органические соединения. На их основе сегодня изготавливаются монокристаллические, жидкостные и пластмассовые сцинтилляционные счетчики. Особый интерес в этом плане представляют замещенные полифенилены (производные пара-терфенила, пара-кватерфенила и пара-квинквифенила). Важными достоинствами этих соединений являются широкий спектр измерений, высокая химическая и радиационная стойкость. Различные полифенилены с успехом используются также в лазерной технике, медицине, биологии, производстве красителей, осветительного
оборудования, машиностроении [1-3].
Экспериментальная часть
Технология изготовления пластмассовых сцинтилляторов предусматривает размещение соответствующего активатора (люминофора) в прозрачном полимерном материале. В качестве полимерной матрицы часто используют полистирол, полиметилметакрилат или их замещенные аналоги [1-3]. Особый интерес представляют «быстродействующие» пластмассовые
сцинтилляторы. Они востребованы в процессах, где необходимо высокое временное разрешение (в детекторах импульсных потоков излучения; в счетчиках гамма-потоков высокой интенсивности; для детектирования частиц по времени пролета). Так, для широко известного пластмассового сцинтиллятора, содержащего в качестве активатора пара-терфенил с добавлением 1,4-ди-(2,5-фенилоксазолил)бензола (РОРОР), длительность свечения на половине высоты светового импульса составляет около 2,5 нс. Эта длительность определяется в основном скоростью переноса энергии электронного возбуждения от полимерной основы к молекулам активатора и скоростью их релаксации. Для повышения «быстродействия»
датчика необходимо добиться уменьшения времени процессов переноса энергии внутри полимерной матрицы. Известно, что скорость переноса энергии возбуждения от полимерной матрицы на молекулы активатора возрастает по мере увеличения степени перекрывания спектров поглощения
использованного активатора со спектром излучения материала матрицы. Также она увеличивается при повышении концентрации активатора за счет уменьшения среднего межмолекулярного расстояния. Примером повышения быстродействия при увеличении концентрации активатора могут служить сцинтилляторы фирмы Ыегоп ВС-414 - ВС-420, изготовленные из поливинилтолуола с использованием 4 мас.% активатора РВБ. Время высвечивания у этих сцинтилляторов составляет 1,6 - 1,8 нс. Однако для более качественного детектирования необходимо иметь показатель времени высвечивания менее 1,0 нс при световом выходе не ниже 0,07 уесв (условных единиц светового выхода). Известно, что уменьшить время высвечивания можно также за счет использования веществ, способных тушить возбужденное состояние молекул активатора. Например, при введении в состав сцинтиллятора 1,0 мас.% бензофенона время высвечивания уменьшается до 0,7 нс. Однако при этом в 5-6 раз снижается световой выход образца полученного материала.
Более предпочтительным выглядит применение в качестве добавки веществ, содержащих заместители, улучшающие внутримолекулярную конверсию. Такими заместителями могут быть атомы галогенов с большой молекулярной массой (брома и йода). При этом могут быть достигнуты хорошие результаты по соотношению характеристик быстродействие-световыход.
В результате проведенных исследований в качестве добавки был выбран 4-(4'-йодфенил)стильбен (¡РЬБ^. Это соединение имеет максимум полосы поглощения Хт3х = 320 нм и максимум полосы люминесценции А,ьит = 320 нм. При этом время жизни возбужденного состояния молекул 4-(4'-йодфенил)стильбена составляет около 0,66 нс [4].
В ходе экспериментов нами были изготовлены по стандартной методике серии образцов сцинтилляторов на основе полистирола с различным содержанием пара-терфенила (рТЬ) и 4-(4'-йодфенил)стильбена. После полимеризации полученные образцы для придания определенных геометрических размеров подвергались
механической обработке с полировкой. В результате конечные образцы перед испытаниями представляли собой прозрачные диски диаметром 15 мм и толщиной 1,5 мм (рис. 1).
Рис. 1. Образцы сцинтилляционных материалов после полимеризации (а) и после механической обработки (б).
Для получения количественной информации по световым характеристикам изготовленных образцов была использована установка «Фотон» АО «Институт физико-технических проблем» г. Дубна. Эта установка представляет собой оригинальный временной спектрометр и позволяет проводить исследование процесса свечения сцинтилляционных материалов в большом диапазоне изменения интенсивности, исключает влияние длительности импульсов ФЭУ на временное разрешение и погрешность измерений при оптимальном соотношении сигнал-шум.
В ходе определения световых характеристик образцы сцинтилляторов возбуждались от источника Стронций-Иттрий-90 с энергией 546 КэВ. Использованный в установке Черенковский радиатор представляет собой цилиндр диаметром 9 мм и высотой 6 мм, изготовленный из кварца, соединенный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) «Натата18и» с помощью оптической смазки. Сигнал счетчика формируется обычным дискриминатором с фиксированным порогом, выходной сигнал которого используется для запуска временного-цифрового преобразователя. Второй ФЭУ «Натата18и» используется для детектирования одиночного фотона, выходящего с торцевой поверхности образцов. Фотонный счетчик настраивается на однофотонный режим с помощью специальной диафрагмы, которая уменьшает регистрируемый сигнал до среднего значения (приблизительно 0,01 фотоэлектрона). Такое ослабление излучения необходимо для поддержания низкой степени вероятности регистрации двух и более фотоэлектронов от одной световой вспышки. Однофотонный сигнал от регистрирующего ФЭУ формируется дискриминатором со следящим порогом, выходной сигнал которого используется
как стоп-сигнал для временного-цифрового преобразователя. Вид кинетической кривой сцинтилляционного импульса изготовленных образцов пластмассовых сцинтилляторов
представлен на рисунке 2.
Определенные с помощью установки «Фотон» технические характеристики полученных образцов пластмассовых сцинтилляторов представлены в таблице № 1. Их анализ показал, что увеличение содержания пара-терфенила с 3,0 мас. % до 4,0 мас. % приводит к снижению световыхода (с 0,077 уесв до 0,074 уесв) и времени высвечивания (с 0,72 нс до 0,62 нс) при фиксированном содержании 4-(4'-йодфенил)стильбена в синтезированном материале 0,6 мас. %. Аналогичная тенденция была выявлена при повышении фиксированного содержания 4-(4'-йодфенил)стильбена до 1,8 мас. % (табл.1). Следует отметить, что дальнейшее увеличение содержания пара-терфенила в исследуемых образцах полистирольных сцинтилляторов с целью уменьшения времени высвечивания было невозможно, т.к. величина в 4,0 мас. % соответствует предельной растворимости данного активатора в полимерной матрице.
Время, не
Рис. 2. Кинетическая кривая сцинтилляционного импульса изготовленных образцов
При фиксированном содержании пара-терфенила 3,0 мас. % увеличение концентрации 4-(4'-йодфенил)стильбена от 0,3 мас. % до 1,8 мас. % приводит к снижению светового выхода от 0,081 уесв до 0.059 уесв и времени высвечивания с 0,76 нс до 0,54 нс (табл. 1).
Таблица № 1. Технические характеристики исследованных образцов пластмассовых сцинтилляторов
№ образца Содержание 4-(4'-йод-фенил)стильбена мас.% Содержание пара-терфенила, мас.% Световой выход, уесв Время высвечивания, нс Отношение световыход/время
1 0,3 3,0 0,081 0,76 0,106
2 0,6 3,0 0,072 0,58 0,124
3 1,8 3,0 0,059 0,54 0,109
4 0,6 3,0 0,077 0,72 0,107
5 0,6 4,0 0,074 0,62 0,119
6 1,8 3,0 0,063 0,63 0,100
7 1,8 4,0 0,059 0,57 0,104
Выводы
Исходя из полученных результатов, нами был определен оптимальный состав пластмассового сцинтиллятора на основе полистирольной матрицы, пара-терфенила и 4-(4'-йодфенил)стильбена (полистирольная матрица; 3,0 мас.% пара-терфенила и 0,3 мас.% 4-(4'-йодфенил)стильбена), который в ходе проведенных испытаний показал хорошие технические характеристики (световыход 0,081 уесв и время высвечивания 0,76 нс). Найденное соотношение компонентов было использовано для промышленного производства пластмассового сцинтиллятора ПС-Б2.
Список литературы
1. Красовицкий Б.М., Болотин Б.М. Органические люминофоры. М.: Химия, 1984. 336 с.
2. Степанов Б.И. Введение в химию и технологию органических красителей. М.: Химия, 1984. 592 с.
3. Бритвич Г.И., Бреховских В.В., Семенов В.К., Холоденко С.А. Основные характеристики полистирольных сцинтилляторов производства ИФВЭ. Протвино. ФГБУ ГНЦ ИФВЭ, 2013. 38 с.
4. Патент SU 963225 А. Способ получения 4-(4'-йодфенил)стильбена. Опубл. 07.10.83.
