CC BY
64
УДК 519.25.256
Щербаков С.Г., Федорков В.Г., Чередниченко А.Г.
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ В ОДНОФОТОННОМ РЕЖИМЕ РЕГИСТРАЦИИ
Щербаков Сергей Геннадьевич - начальник отделения, АО «Институт физико-технических проблем», Россия, 141980, г. Дубна Московской области, ул. Курчатова, д. 4.
Федорков Виктор Георгиевич - к.т.н., доцент, директор АО «Институт физико-технических проблем», Россия, 141980, г. Дубна Московской области, ул. Курчатова, д. 4.
Чередниченко Александр Генрихович - д.х.н., заведующий кафедрой физической и коллоидной химии, Российский университет дружбы народов (РУДН), Россия , 115419, Москва, ул. Орджоникидзе, д.3. *e-mail: sorbotek@yandex.ru
В ходе проведенных работ была разработана принципиальная схема оригинального временного спектрометра и изготовлена экспериментальная измерительная установка «Фотон», которая позволяет проводить исследования процессов свечения сцинтилляционных материалов в широком диапазоне интенсивности, исключает влияние длительности импульсов ФЭУ на временное разрешение и погрешность измерений, а также создает условия для оптимального соотношения сигнал-шум. На примере образцов полистирольных сцинтилляторов, содержащих 2-фенил-5-(4 -бифенил)-1,3,4-оксадиазол и бензофенон проведено определение их светотехнических характеристик и показана зависимость светового выхода и времени высвечивания от концентрации бензофенона.
Ключевые слова: дозиметрия, органические люминофоры, пластмассовые сцинтилляторы
THE MEASUREMENT DURATION OF THE LIGHT IMPULSES OF THE PLASTIC SCINTILLATOR IN SINGLE PHOTON MODE RECORDING
Scherbakov Sergey Gennadyevich1, Fedorkov Victor Georgievich1, Cherednichenko Aleksandr Genrihovich2
Joint Stock Company " INSTITUTE OF PHYSICAL-TECHNICAL PROBLEMS", Dubna, Russia 2Peoples' Friedship University of Russia , Moscow, Russia, *e-mail: sorbotek@yandex.ru
In the course of this work was developed concept of the original time spectrometer and produced an experimental measurement device «Photon», which allows the study of the processes of luminescence of scintillator materials in a wide range of intensity and creates the conditions for the optimal ratio of signal to noise. Sample of polystyrene scintillator containing 2-phenyl-5-(4'-biphenyl)-1,3,4-oxadiazol benzophenone and the determination of their optical characteristics and the dependence of light output and the time glow of the concentration of benzophenone.
Key words: dosimetry, organics luminophores, plastic scintillators
В настоящее время для регистрации различных видов ионизирующих излучений часто используют детекторы на основе органических соединений. На базе этих материалов сегодня изготавливаются эффективные монокристаллические, жидкостные и пластмассовые сцинтилляционные датчики. Так при производстве полистирольных пластмассовых сцинтилляторов в качестве активирующей добавки используют различные полифенилены (производные пара-терфенила) и замещенные азотсодержащие гетероциклы (оксазолы, оксадиазолы, триазолы и др.). Важными достоинствами пластмассовых детекторов являются низкая себестоимость, широкий спектр возможных измерений, высокая химическая и радиационная стойкость [1-4]. Технология изготовления пластмассовых
сцинтилляторов предусматривает размещение активатора в прозрачной полимерной матрице, в качестве которой часто используют полистирол, полиметилметакрилат или их замещенные аналоги. Особый интерес для мониторинга ионизирующих
излучений представляют «быстродействующие» пластмассовые сцинтилляторы. Они используются в процессах, где необходимо иметь высокое временное разрешение получаемых сигналов (в детекторах импульсных потоков излучения; в счетчиках гамма-потоков высокой интенсивности; для детектирования частиц по времени пролета). При этом для разработки новых образцов сцинтилляционной техники и контроля качества уже выпускаемой продукции необходимо иметь надежный метод определения длительности световых импульсов пластмассового детектора.
Экспериментальная часть
Для большинства известных пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирола длительность свечения на половине высоты светового импульса составляет около 2-3 нс. Это значение определяется в основном скоростью переноса энергии электронного возбуждения от полимерной основы к молекулам используемого
активатора и скоростью их дальнейшей релаксации. Для повышения «быстродействия» детектора в его состав вводят специальные добавки, способные сокращать время переноса энергии внутри полимерной матрицы или тушить возбужденное состояние молекул активатора. Например, замена стирола на винилтолуол при изготовлении матрицы и использование в качестве активатора 2-фенил-5-(4'-бифенил)-1,3,4-оксадиазола (PBD) вместо пара-терфенила приводит к уменьшению времени высвечивания с 2,5 нс до 1,6 нс. Введение в состав сцинтиллятора соединений, способных тушить возбужденные состояния молекул активатора приводит к дальнейшему сокращению длительности светового импульса (менее 1,0 нс), однако в несколько раз уменьшает световой выход образца детектора [3]. Для определения временных значений светового импульса опытных и серийных образцов пластмассовых сцинтилляторов в АО «Институт физико-технических проблем» г. Дубна была
разработана принципиальная схема оригинального временного спектрометра (рис.1) и на ее основе изготовлена экспериментальная измерительная установка «Фотон» (рис.2). Эта установка позволяет проводить исследования процессов свечения сцинтилляционных материалов в широком диапазоне интенсивности.
При создании установки был использован принцип определения времени высвечивания методом задержанных совпадений («однофотонный» метод). Этот метод обладает высокой точностью при использовании в качестве опорного источника свечения радиатора Вавилова-Черенкова, что позволяет проводить исследование кинетики свечения в широком диапазоне изменения интенсивности, исключает влияние длительности импульсов ФЭУ на временное разрешение и погрешность измерений и создает условия для оптимального соотношения сигнал-шум.
Рис. 1. Блок-схема установки для определения длительности светового импульса в однофотонном режиме
регистрации: источник бета-частиц в камере с коллиматором (1); кассета с образцами пластмассовых сцинтилляторов (2); радиатор Вавилова-Черенкова (3); фотоэлектронные умножители (4а и 4б); усилители (5а и 5б); дискриминаторы (6а и 6б); кварцевый генератор КВ 005 (7); диафрагма (8); блок управления с установочным счетчиком и пересчетным устройством (9); цифровой осциллограф GDS-830 (10); время-цифровой преобразователь КА-317 (11); наносекундная линия задержки (12); крейт-контроллер КАМАК (13); компьютер для управления цифровым осциллографом и обработки результатов измерений (14); компьютер для управления крейт-контроллером КАМАК и сбора информации.
(а)
(б)
Рис. 2. Внешний вид установки «Фотон» (а) и ее оптико-механический блок (б).
Перед началом измерений проводится подготовка образцов исследуемых материалов. Для этого из сцинтилляционных блоков вырезаются и полируются диски диаметром 15 мм и толщиной 1,5 мм. В процессе определения временных характеристик светового импульса (рис.1) изготовленные образцы пластмассовых
сцинтилляторов облучаются от источника (1) Стронций-Иттрий-90 бета-частицами с энергией 546 КэВ в специальной кассете (2). В результате полученного возбуждения возникает
сцинтилляционный световой импульс, который проходит через радиатор Вавилова-Черенкова (3). Этот радиатор представляет собой цилиндр диаметром 9 мм и высотой 6 мм, изготовленный из кварца, соединенный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) «Hamamatsu» (4а) с помощью
оптической смазки. Полученный сигнал попадает на усилитель (5 а) и далее на дискриминатор с фиксированным порогом (6а), выходной сигнал которого используется для запуска временного-цифрового преобразователя (11). Второй ФЭУ «Hamamatsu» (4б) используется для детектирования одиночного фотона, выходящего с торцевой поверхности исследуемых образцов. Фотонный счетчик настраивается на однофотонный режим с помощью специальной диафрагмы (8), которая уменьшает регистрируемый сигнал до среднего значения (около 0,01 фотоэлектрона). Ослабление необходимо для поддержания низкой степени вероятности регистрации двух и более фотоэлектронов от одной световой вспышки. Однофотонный сигнал от регистрирующего ФЭУ (4б) поступает на усилитель (5б) и далее на дискриминатор (6б). Дискриминатор имеет следящий порог и его выходной сигнал используется как стоп-сигнал для временного-цифрового преобразователя (11). Кварцевый генератор КВ-005 (7) используется для генерирования опорной частоты, необходимой для работы блока управления
(9), включающего установочный счетчик с пересчетным устройством. Осциллограф GDS-830
(10) используется для контроля работы блока управления. Полученный сигнал поступает на время-цифровой преобразователь КА-317 (11) через наносекундную линию задержки (12), а затем через крейт-контроллер КАМАК (13) в компьютер управления и сбора измерительной информации (15). Компьютер (14) предназначен для управления цифровым осциллографом и обработки результатов измерений.
Временное разрешение установки измеряется с помощью образца, изготовленного из полиметилметакрилата, быстрый световой сигнал от которого создается также излучением Вавилова-Черенкова. Так как черенковский свет возникает мгновенно, а световыход ограничен одиночным фотоэлектроном (определяется диафрагмой), то измеренное временное распределение является прямым измерением отклика системы, т.е. её аппаратурной функцией (рис.3). Величина временного разрешения для контрольного образца полиметилметакрилата составила около 150 пс.
Измеренное временное распределение для анализируемого образца пластмассового сцинтиллятора описывается интегралом свертки импульса фотолюминесценции и аппаратурной функции. Решение задачи, обратной интегралу свертки и вычисление ширины пика сцинтилляционного импульса на его полувысоте проводилось с помощью программы «Mathcad».
Рис. 3. Вид временного распределения излучения Вавилова-Черенкова от контрольного образца полиметилметакрилата (аппаратная функция).
Таблица № 1. Технические характеристики
Анализ полученных результатов показал, что увеличение содержания бензофенона с 1,0 мас. % до 5,0 мас. % приводит к снижению световыхода образца с 0,051 уесв до 0,022 уесв. При этом существенно уменьшается время высвечивания (с 1,07 нс до 0,35 нс) при фиксированном содержании 2-фенил-5-(4'-бифенил)-1,3,4-оксадиазола (PBD) в синтезированном материале 4,0 мас. %. Следует отметить, что дальнейшее увеличение содержания бензофенона в исследуемых образцах полистирольных сцинтилляторов практически не изменяет величину их времени высвечивания.
Выводы
В ходе проведенных работ была разработана принципиальная схема оригинального временного спектрометра и на ее основе изготовлена экспериментальная измерительная установка «Фотон», которая позволяет проводить исследования процессов свечения
сцинтилляционных материалов в широком диапазоне интенсивности, исключает влияние длительности импульсов ФЭУ на временное разрешение и погрешность измерений, а также создает условия для оптимального соотношения
Следует отметить, что измеренное время высвечивания является показателем образца определенного сцинтиллятора, без учета светособирания. Полномасштабные образцы покрываются черной светопоглощающей эмалью для сокращения времени светособирания в сцинтилляторе. При этом в выходное окно не попадают отраженные фотоны. Этот прием улучшает временное разрешение сцинтиллятора.
В ходе испытаний установки «Фотон» были определены светотехнические характеристики полученных образцов полистирольных
пластмассовых сцинтилляторов на основе пара-терфенила и 4-(4'-йодфенил)стильбена [3], а также 2-фенил-5-(4'-бифенил)-1,3,4-оксадиазола (PBD) и бензофенона (BzPn), которые представлены в таблице № 1.
[енных образцов полистирольных пластмассовых
сигнал-шум. На примере образцов полистирольных сцинтилляторов, содержащих 2-фенил-5-(4'-бифенил)-1,3,4-оксадиазол и бензофенон, проведено определение их светотехнических характеристик и показана зависимость светового выхода и времени высвечивания от концентрации бензофенона.
Список литературы
1. Красовицкий Б.М., Болотин Б.М. Органические люминофоры. М.: Химия, 1984. 336 с.
2. 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.
3. Щербаков С.Г., Чередниченко А.Г., Федорков В.Г. Исследование влияния 4-(4'-йодфенил)стильбена на люминесцентные свойства пластмассовых сцинтилляторов // Успехи в химии и химической технологии. 2017. т.31, № 1. С.109-111.
4. Зиновьев А.Ю., Чередниченко А.Г., Аветисов И.Х. Технология органических электролюминес-центных устройств. Теоретические основы и материалы. М.: изд. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. 62 с.
сцинтилляторов с добавками 2-фенил-5-(4'-бифенил)-1,3,4-оксадиазола (РВР) и бензофенона (BzPn)
№ образца
Содержание РББ мас.%
Содержание BzPn мас.%
Световой выход, уесв
Время высвечивания, нс
Отношение световыход/время
1
4,0
1,0
0,051
1,07
0,047
2
4,0
2,0
0,035
0,68
0,051
4,0
3,0
0,027
0,44
0,061
4,0
4,0
0,024
0,38
0,063
4,0
5,0
0,022
0,35
0,063
3
4
5
