CC BY
9
УДК 532.6:544.2/7: 54-14/-16: 548.3/5
Кулишов А. А., Лясникова М. С., Постников В. А., Волошин А.Э.
ВЫРАЩИВАНИЕ ИЗ РАСТВОРОВ КРИСТАЛЛОВ ТРАНС-СТИЛЬБЕНА
Кулишов Артем Андреевич - младший научный сотрудник; Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, Россия, Москва, 119333, г. Москва, Ленинский проспект, д. 59; [email protected]
Лясникова Мария Сергеевна - младший научный сотрудник; Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, Россия, Москва, 119333, Ленинский проспект, 59 Постников Валерий Анатольевич - кандидат химических наук, старший научный сотрудник; Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, Россия, Москва, 119333, Ленинский проспект, 59
Волошин Алексей Эдуардович - доктор физико - математических наук, заместитель директора по научной работе; Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, Россия, Москва, 119333, г. Москва, Ленинский проспект, д. 59
Выращены крупные монокристаллы транс-стильбена из раствора анизола оптического качества, которые могут быть использованы для изготовления сцинтилляционных детекторов. Из выращенного кристалла изготовлен оптический элемент и -исследовано его оптическое пропускание в диапазоне длин волн 200 - 800 нм.
Ключевые слова: стильбен, рост кристаллов, растворы, органические монокристаллы, органические сцинтилляторы.
GROWTH OF TRANS-STILBENE CRYSTALS FROM SOLUTIONS
Kulishov A. A., Lyasnikova M. S., Postnikov V. A., Voloshin A. E
Large single crystals of transstilbene were grown from an optical grade anisole solution, which can be used to make scintillation detectors. An optical element was made from the grown crystal, and its optical transmission in the wavelength range of200-800 nm was studied.
Keywords: stilbene, crystal growth, solutions, organic single crystals, organic scintillators.
Введение
Органические сцинтилляторы вследствие своей малой атомной массы и, как результат этого, низкой вероятности обратного рассеяния регистрируемых заряженных частиц, в отличие от неорганических, являются эффективными материалами для создания детекторов короткопробежных излучений (а- и Р-частицы и быстрые нейтроны) [1]. В то же время их важным достоинством является малое время высвечивания (~1 нс) [2,3]. Длина волны их излучения лежит вблизи максимума кривой спектральной чувствительности наиболее широко применяемых ФЭУ, благодаря чему объем сцинтиллятора может быть большим. Все это обусловливает важное значение органических сцинтилляторов для фундаментальных и прикладных исследований.
Сцинтилляционные детекторы на основе органических монокристаллов обладают большей прозрачностью для собственной флуоресценции, высоким спектральным разрешением и наибольшим световыходом в сравнении с жидкими, пластиковыми и поликристаллическими сцинтилляторами. По оптическому качеству (прозрачность) и наличию огранки методы выращивания кристаллов из растворов предпочтительнее расплавных способов [4]. Однако методы роста из растворов объёмных органических монокристаллов ещё слабо развиты, в связи с чем их развитие является актуальной научно-технической задачей.
Целью настоящей работы является разработка метода выращивания из раствора крупных монокристаллов транс-стильбена оптического качества с целью последующего исследования их спектров пропускания. Среди органических сцинтилляторов транс-стильбен обладает лучшими свойствами по отношению к разделению различных типов излучений [5], более устойчив к деградации от излучения в сравнении с пара-терфенилом, нафталином и антраценом [2]. В сравнении с антраценом транс-стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым выходом, но зато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (6.4 нс), что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения [2].
Экспериментальная часть В качестве растворителей использовали толуол и анизол. Предварительно растворители были очищены с помощью перегонки в роторном испарителе. В ростовых экспериментах использовался как исходный транс-стильбен квалификации ОСЧ, так и перекристаллизованный в толуоле. Растворимость транс-стильбена
исследовали методом определения доли сухого осадка при выпаривании насыщенного раствора. Выращивание кристаллов из низкотемпературных растворов проводили методом снижения температуры в кристаллизаторах объемом 1-2 л, оборудованных системой автоматического изменения
температуры (точность ее поддержания составляла ±0.02°С) и системой перемешивания раствора с возможностью плавной регулировки скорости вращения мешалки [6]. В связи с использованием агрессивных органических растворителей крышка кристаллизатора была изготовлена из капролона, а мешалка с ростовой платформой из алюминия.
Для ростовых экспериментов затравочные кристаллы получали из пересыщенных растворов транс-стильбена в толуоле при комнатной температуре путем спонтанной кристаллизации. Раствор транс-стильбена в анизоле для выращивания монокристаллов выдерживался при температуре насыщения (Тнас) в течение нескольких дней при постоянном перемешивании для достижения равновесного состояния. Затем раствор перегревали на 10-15 °С выше температуры насыщения и фильтровали через фильтр Шотта. Полученный таким образом раствор заливался в прогретый кристаллизатор с заранее помещенной туда платформой с затравочным кристаллом, после чего осуществлялось охлаждение раствора до
температуры Т < Тнас. Перед достижением равновесной температуры раствора наблюдается процесс частичного растворения поверхности затравочного кристалла. Управление температурным режимом осуществлялось при помощи термоконтроллера по ПИД-закону. По завершении ростового процесса платформа с кристаллом (рис. 1) извлекается из кристаллизационного стакана и выращенный монокристалл от нее отделяется.
Из полученного монокристалла транс-стильбена (рис. 1) для исследования оптического пропускания был вырезан оптический элемент размером 5 мм х 12 мм х 17 мм (рис. 2а). Спектры поглощения монокристалла измеряли на автоматическом двулучевом спектрофотометре Сагу 300 ЦУ-УЪ. На рис. 2б представлен спектр пропускания оптического элемента. Как видно, в УФ области до 360 нм монокристалл совершенно не прозрачный, а интервале от 400 до 800 нм пропускание кристаллического элемента транс-стильбена возрастает от 65 до 97%.
Рис. 2. Оптический элемент на основе монокристалла транс-стильбена (а) и его спектр пропускания (б).
Заключение
В результате проведенных экспериментов были определены эффективные органические
растворители, модернизированы узлы
кристаллизационной установки для работы с ними, изучена растворимость в используемых растворителях и подобраны условия роста, позволяющие получать крупные монокристаллы транс-стильбена из растворов. Изготовленный из выращенного монокристалла оптический элемент с размерами 5 мм х12 мм х17 мм характеризуется высоким оптическим пропусканием в видимом диапазоне. Габаритные размеры и качество оптического элемента позволяют в дальнейшем использовать его для исследования
сцинтилляционных свойств с целью разработки детектора ионизирующего излучения.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по гранту № 075-15-20211362.
Список литературы
1. Дудник А.В., Андрющенко Л.А., Тарасов В.А., Курбатов Е.В. Детектор На Основе Монокристалла Активированного Паратерфенила И Кремниевого Фотоэлектронного Умножителя // Приборы И Техника Эксперимента. - 2015. No. 2. - P. 41-46.
2. Birks J.B., Firk F.W.K. The Theory and Practice of Scintillation Countin // Physics Today. - 1965. - V. 18, No. 8. - P. 60-60.
3. Красовицкий Б. М. Б.Б.М. Органические люминофоры. 2nd ed. Москва: Химия, - 1984. 336 p.
4. Carman M.L., Glenn A.M., Mabe A.N., Becchetti F.D., Payne S.A., Zaitseva N.P. Solution growth of a deuterated trans-stilbene crystal for fast neutron detection // Journal of Crystal Growth. - 2018. - V. 498. - P. 51-55.
5. Zaitseva N.P., Newby J., Hamel S., Carman L., Faust M., Lordi V., Cherepy N.J., Stoeffl W., Payne S.A. Neutron detection with single crystal organic scintillators // Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics XI. - 2009. - V. 7449. - P. 744911.
6. Маноменова В.Л., Степнова М.Н., Гребенев В.В., Руднева Е.Б., Волошин А.Э. Рост монокристаллов CuSO 4 • 5H 2 O и исследование их некоторых свойств // Кристаллография. - 2013. - V. 58, No. 3. - P. 505-509.
