ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2020, том 83, № 1, с. 76-83

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

Gd- И Nd-СОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ

СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Поступила в редакцию 14.08.2019 г.; после доработки 14.08.2019 г.; принята к публикации 14.08.2019 г.

Рассмотрены факторы, влияющие на стабильность Gd- и Nd-содержащих жидких органических

сцинтилляторов, предназначенных для крупномасштабных экспериментальных установок нейтринной

физики и астрофизики. Сделан анализ влияния состава (тип и структурная формула Gd-, Nd-

соединений) на оптические характеристики сцинтиллятора. Показано, что одной из причин деградации

(уменьшение прозрачности) сцинтиллятора является окисление алкилбензолов. Соединения Gd и Nd

могут являться катализаторами процессов окисления.

DOI: 10.31857/S0044002720010109

ВВЕДЕНИЕ

Гадолиний и неодим относятся к одному се-

мейству f-элементов, что во многом определяет

Gd-содержащие жидкие органические сцинтил-

свойства и методы получения Gd/Nd-соединений,

ляторы (Gd-LS) в настоящее время находят ши-

которые используются для создания жидких орга-

рокое применение при решении фундаментальных

нических сцинтилляторов.

и прикладных задач в области нейтринной физи-

ки [1-11].

Настоящая работа посвящена анализу суще-

ствующих и планируемых экспериментов с исполь-

Введение гадолиния в состав сцинтиллятора

зованием жидких сцинтилляционных детекторов на

обеспечивает более высокую эффективность ре-

основе Gd и Nd с точки зрения влияния состава

гистрации антинейтрино по реакции обратного

сцинтиллятора на его стабильность.

бета-распада, в которой мишенью служат ядра

атома водорода, входящие в состав компонентов

сцинтиллятора (главным образом, углеводородного

Gd- И Nd-СОДЕРЖАЩИЕ

растворителя):

СОЕДИНЕНИЯ В LS

ν + p = e⁺ + n.

(1)

Большинство известных в настоящее время

Высокое сечение захвата нейтрона изотопами

действующих и планируемых эксперименталь-

¹⁵⁷Gd,¹⁵⁵Gd и большая энергия (∼8 МэВ) испус-

ных установок с применением Gd-содержащих

каемых гамма-квантов позволяют надежно дис-

жидких органических сцинтилляторов использует

криминировать нейтринные события от фоновых.

в качестве растворенного соединения гадоли-

В отличие от гадолиния, который в сцинтилля-

ния только два типа комплексов. Это

3,5,5-

ционных детекторах для регистрации антинейтрино

триметилгексаноат (Gd(TMHA)₃) [1-3, 6, 9-11],

играет вспомогательную роль, неодим, а точнее

который относится к классу карбоксилатов и

изотоп неодима —¹⁵⁰Nd — сам является предме-

2,2,6,6-тетраметилгептандионат (Gd(TMHD)₃) [4,

том фундаментального исследования — двойного

5, 7, 8] (класс бета-дикетонатов).

безнейтринного бета-распада [12]. Поиск такого

Выбору таких составов Gd-LS предшество-

вида распада крайне важен для установления при-

вали многочисленные лабораторные исследова-

роды нейтрино и определения его массы. Поста-

ния [13-19], а также накопленный опыт менее

новка такого типа экспериментов требует большой

удачных экспериментов, в которых использова-

массы мишени и низкого фона, как внешнего от

лись другие композиции и, как следствие, Gd-

космических лучей, так и внутреннего радиоактив-

LS быстро деградировал (Сhooz [20] (нитрат гадо-

ного фона самого детектора.

линия, дополнительный растворитель — гексанол),

Palo Verde [21] (в качестве концентрата гадоли-

¹⁾Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия.

ния использовался коммерческий Gd-LS — ВС-

²⁾Российский

химико-технологический

университет

им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.

21, который разбавлялся смесью РС и минераль-

^*E-mail: g-novikova@mail.ru

ного масла)).

Gd- И Nd-СОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Гадолиний и неодим как представители семей-

центрифугирования, так и для создания на их осно-

ства f-элементов имеют высокое координацион-

ве Nd-LS. Свойство летучести комплексов неоди-

ное число, т.е. способность образовывать дополни-

ма делает возможным проведение глубокой очист-

тельные связи по донорно-акцепторному механиз-

ки от радиоактивных примесей с использованием

му. Для стабилизации и увеличения растворимости

метода сублимации или молекулярной дистилляции

соединений Gd/Nd в органическом сцинтилляторе

непосредственно перед вводом в сцинтиллятор.

часто вводят в состав комплекса дополнительный

Для исследования световыхода были выбра-

лиганд. Так, в эксперименте Double Chooz [4] был

ны комплексы неодима с фторированными бета-

использован дополнительный растворитель тетра-

дикетонами, так как известно, что наличие в мо-

гидрофуран, т.е. фактически был получен комплекс

лекуле электроотрицательных атомов фтора увели-

бета-дикетоната с тетрагидрофураном, который не

чивает летучесть синтезируемых бета-дикетонатов

только лучше растворяется в основном раство-

металлов [25]. Введение в координационную сфе-

рителе (РХЕ), но и, являясь координационно-

ру РЗЭ дополнительных лигандов, таких как 1,2-

насыщенным, оказывается более устойчивым по

диметоксиэтан и диглим, увеличивает раствори-

сравнению с чистым бета-дикетонатом.

мость и стабильность комплексов, препятствуя их

В случае карбоксилатов металлов (Gd/Nd) для

гидролизу с последующим образованием олигоме-

стабилизации характеристик сцинтиллятора мож-

ров.

но использовать избыток карбоновой кислоты. В

Для оценки влияния электроотрицательных

этом случае кислота (НТМНА) играет роль допол-

элементов на световыход сцинтиллятора были

нительного лиганда [17], обеспечивая образование

отобраны комплексы с разным количеством фтора

устойчивого комплекса Gd(TMHA)₃ · НТМНА.

в бета-дикетонах и разным количеством кислорода

Таким образом, для создания стабильных ме-

в нейтральных добавках.

таллосодержащих (Gd/Nd) сцинтилляторов важ-

Используемые разнолигандные комплексы син-

но, чтобы используемые карбоксилаты и бета-

тезировались по методике, изложенной в рабо-

дикетонаты были координационно-насыщены.

те [26].

Преимуществом бета-дикетонатов и их ком-

плексов по сравнению с карбоксилатами являет-

Исследовались следующие комплексы:

ся летучесть, т.е. способность при относительно

1. Nd · (hfa)₃ · glyme (6 атомов фтора, 2 атома

невысокой температуре переходить из твердого в

кислорода),

газообразное состояние без разложения. Это свой-

ство используется для тонкой очистки металлов от

2. Nd · (hfa)₃ · diglyme (6 атомов фтора, 3 атома

примесей тяжелых элементов, в частности урана

кислорода),

и тория, что является очень важным при созда-

3. Nd · (dfa)₃ · glyme (10 атомов фтора, 2 атома

нии низкофоновых сцинтилляционных детекторов

кислорода),

Gd/Nd-LS.

Недостатком бета-дикетонатов и их комплек-

где

сов является меньший световыход по сравнению

hfa — анион гексафторацетилацетона,

с карбоксилатами, что будет подробно изложено в

следующей главе на примере создания Nd-LS.

dfa — анион

1,1,1,2,2,6,6,7,7,7-декафтор-3,5-

гептандиона,

glyme — моноглим

(1,2-диметоксиэтан

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОЙ ФОРМУЛЫ

СН₃ОСН₂CН₂ОСН₃),

КОМПЛЕКСА НЕОДИМА

НА СВЕТОВЫХОД

diglyme — 1-метокси-2-[2-(1-метоксиэто-

кси)]этан (СН₃О(СН₂CН₂О)₂CН₃).

Для создания Nd-LS первоначально исполь-

зовались карбоксилаты неодима: 2-метилвалериат

На рис. 1 представлены зависимости свето-

с растворителем РС [22] и триметилгексаноат с

выхода сцинтиллятора (ВРО — 2 г/л) от концен-

растворителем ЛАБ [23, 24]. Триметилгексаноат

трации неодима для исследуемых комплексов, для

неодима получался по методике, разработанной

сравнения приводится также подобная зависи-

для создания Gd-LS [17].

мость для триметилгексаноата неодима, получен-

Поскольку в естественной смеси содержится

ная ранее [23]. Концентрации неодима измеря-

лись методом комплексонометрического титрова-

всего 5.6% изотопа150Nd, желательно исполь-

зовать обогащенный неодим. Для этого случая

ния с 0.005 М раствором трилона-Б (динатриевая

интерес представляют летучие комплексы бета-

соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) (аце-

дикетонатов неодима, которые можно было бы ис-

татный буфер, рН = 5.8; индикатор — ксиленоло-

пользовать как для разделения изотопов методом

вый оранжевый).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

2020

№1

НОВИКОВА и др.

LY, %

100

Nd(hfa)₃*glyme

Nd(hfa)₃*diglyme

Nd(dfa)₃*glyme

Nd(TMHA)₃

10 11 12 13 14 15 16 17 18

Концентрация, г/л

Рис. 1. Зависимость световыхода (LY , %) сцинтиллятора от концентрации неодима при использовании Nd(TMHA)3 и

фторированных бета-дикетонатных комплексов неодима.

Из рис. 1 видно, что кривые световыхода для

на том основании, что концентрация гадолиния

всех трех исследуемых бета-дикетонатных ком-

остается неизменной в течение исследуемого пери-

плексов в пределах 5% ошибки практически совпа-

ода (602 сут). Концентрацию гадолиния измеряли

дают, т.е. световыход не зависит от количества ато-

двумя способами — химическим методом (титро-

мов фтора или кислорода в исследуемом комплек-

вание) и методом измерения времени задержки

се, а определяется только молекулярной структу-

(захват нейтрона). При этом постоянство концен-

рой самого бета-дикетоната. При образовании ко-

трации гадолиния только частично демонстрирует

ординационных связей между атомами кислорода и

стабильность свойств органического сцинтилля-

ионом металла возникает устойчивый шестичлен-

тора.

ный цикл, в котором отрицательный электрический

Важной характеристикой сцинтилляционно-

заряд полностью делокализован между углеродны-

го детектора, определяющей его энергетическое

ми и кислородными атомами.

разрешение, является число фотонов, достигших

По-видимому, комплекс с такой структурой, в

фотоприемника. Количество этих фотонов, обра-

отличие от карбоксилатного, значительно более

зовавшихся в результате взаимодействия ионизи-

сильно влияет на механизм передачи энергии

рующего излучения с жидкой средой, зависит как

возбуждения в сцинтилляторе, что приводит к

от световыхода (LY ), так и прозрачности сцинтил-

уменьшению величины световыхода. Но при ма-

лятора.

лых концентрациях металла (в случае исполь-

В работе [28] в модуле объемом 30 л ис-

зования крупномасштабных детекторов) бета-

следовалась стабильность Gd-LS в присутствии

дикетонатные комплексы, как видно из рис. 1, мо-

различных конструкционных материалов (сталь и

гут быть конкурентоспособны с карбоксилатными.

акрил). Измерения показали, что за год светосбор

сцинтиллятора уменьшился на 10%.

СТАБИЛЬНОСТЬ Gd-LS

В эксперименте RENO для оценки стабильно-

Успешная работа сцинтилляционных детекто-

сти свойств Gd-LS использовалась длина ослаб-

ров, предназначенных для проведения нейтрин-

ления света (L). Было найдено, что за время работы

ных экспериментов, во многом определяется ста-

∼4 г. (1351 сут) она уменьшилась на 50% [29].

бильностью характеристик жидкого органического

Начальная длина ослабления была больше 10 м.

сцинтиллятора.

В RENO измерения проводились in situ непо-

Последнее время появляется много работ, где

средственно в сцинтилляторе с использованием

радиоактивных источников.

исследуется стабильность Gd-LS [27-30]. Напри-

мер, в работе [27] делается вывод о стабильности

Длина ослабления света является очень чув-

Gd-LS (объем 10 л, состав как в Daya Bay) только

ствительной характеристикой к любой деградации

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

Gd- И Nd-СОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

сцинтиллятора, которая может быть вызвана изме-

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ

нением структуры гадолиниевого комплекса, окис-

НА СТАБИЛЬНОСТЬ СЦИНТИЛЛЯТОРА

лительными процессами как в самом органическом

На наш взгляд, одним из основных факторов,

сцинтилляторе, так и при контакте с конструкцион-

влияющих на стабильность свойств органического

ными материалами и т.д.

сцинтиллятора, является образование продуктов

В отличие от RENO, в эксперименте Daya Bay,

окисления алкилбензолов. Алкилбензолы являют-

где также проводился мониторинг in situ дли-

ся основными растворителями для приготовления

ны ослабления света, деградация составила всего

жидкого органического сцинтиллятора. В ряде слу-

1.3% в год [3].

чаев алкилбензол используется как один из компо-

В чем причина такого расхождения в величинах

нентов в смеси растворителей с предельными угле-

деградации Gd-LS в экспериментах, где использо-

водородами (додекан и др.). Одними из самых рас-

вался один и тот же состав сцинтиллятора?

пространенных алкилбензолов, входящих в состав

Причина может заключаться в том, что в Daya

сцинтиллятора, являются ЛАБ, фенилксилилэтан

Bay большее внимание было уделено очистке всех

(PXE), псевдокумол (PC).

используемых реактивов.

Первичным соединением, которое образуется

Так, для очистки используемой для синтеза

при окислении любого алкилбензола, является его

3,5,5-триметилгексановой кислоты применялась

гидропероксид.

тонкопленочная вакуумная дистилляция, и было

показано, что в результате очистки поглощение

Как известно [32], ЛАБ российского производ-

света самой кислотой становится в 2 раза меньше

ства (ООО Кинеф, г. Кириши) является смесью 20

в области, чувствительной для ФЭУ [3]. Это очень

алкилбензолов, которые имеют от 10 до 13 атомов

важно, так как 3,5,5-триметилгексановая кислота

углерода в алкильном радикале, все алкилы яв-

не растворима в воде и, в случае применения экс-

ляются разветвленными. Простейшим гомологом

тракции (как это делается в RENO) или промывки

ЛАБа является изопропилбензол (ИПБ), триви-

после синтеза твердой соли водой с последующим

альное его название кумол. Поэтому ИПБ был

растворением в ЛАБе (в Daya Bay), избыток

выбран в качестве модельного соединения для ис-

кислоты переходит в органический сцинтиллятор.

следования процессов окисления ЛАБа и влияния

Большое значение в Daya Bay придавалось

соединений гадолиния на эти процессы.

очистке РРО, которая включала в себя фильтра-

На рис. 2 показаны спектры 0.001 M бензола,

цию после плавления, дистилляцию и рекристалли-

ЛАБа и гидропероксида кумола в гексане.

зацию. После всех этих процедур оптические свой-

Из рис. 2 видно, что спектр ЛАБа сдвинут в

ства концентрированного раствора РРО в ЛАБе

длинноволновую область по сравнению с чистым

(10 г/л) значительно улучшились [3].

бензолом за счет влияния алкильных радикалов

Также применялась очистка исходной соли

на структуру бензола (батохромный сдвиг). Гид-

GdCl₃ · H₂O, особенное внимание было уделено

ропероксид кумола имеет больший коэффициент

очистке от окрашенных примесей железа, что

экстинкции по сравнению с ЛАБом и сильнее

также улучшило оптические свойства растворов [3,

сдвинут в длинноволновую область за счет влияния

31].

перекисной группировки на бензольное кольцо.

С точки зрения очистки от примесей, кото-

На прозрачность ЛАБа влияет как время, про-

рые могут усиливать деградацию сцинтиллятора,

шедшее с момента его получения и очистки, так и

применение комплексов бета-дикетонатов имеет

условия хранения. В качестве параметра прозрач-

преимущество в том, что их можно очищать

ности часто используется длина ослабления света

непосредственно перед растворением в органиче-

(L), т.е. расстояние, на котором число фотонов

ском растворителе методом сублимации. Очистка

уменьшается в e раз. Из измеренных спектров

бета-дикетонатов гадолиния (эксперимент Double

поглощения ЛАБа для длин волн 440, 430, 420 нм

Chooz) привела к уменьшению значения поглоще-

были рассчитаны их длины ослабления.

ния света растворами почти в 2 раза [5].

Влияние условий хранения на прозрачность де-

Кроме того, в эксперименте Double Chooz ис-

монстрирует тот факт, что свежеполученный ЛАБ,

пользовалась смесь растворителей, в которой 80%

поставляемый заводом в таре большого объема,

составлял насыщенный углеводород додекан. До-

имеет очень хорошую прозрачность (L₄₄₀ = 24 м,

декан имеет высокую прозрачность и в меньшей

L₄₃₀ = 14 м) [33], в то время как образец ЛАБа

степени подвержен окислению по сравнению с ал-

(объемом ∼100 мл), хранящийся в лаборатории

килбензолами.

при комнатной температуре, быстро теряет свои

На наш взгляд, проблеме окисления алкил-

оптические характеристики.

бензолов, которые составляют основу всех жид-

ких органических сцинтилляторов, следует уделить

Методика очистки в сильной степени влияет на

особое внимание.

длину ослабления света в растворителе. Одним из

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

НОВИКОВА и др.

Таблица 1. Длина ослабления света (L) и концентрация гидропероксидов (C_гп) в ЛАБ и ИПБ

Образец

Дата очистки

Дата измерения L₄₄₀, М L₄₃₀, М L₄₂₀, М C_гп, ммол/л

(V_Al

2O3 :^Vраств⁾

ЛАБ (1 : 1)

17.04.19

86.9

48.3

43.5

0.20

ЛАБ (1 : 1)

05.03.19

17.04.19

54.3

39.5

36.2

0.20

ЛАБ (1 : 1)

11.11.18

17.04.19

33.4

25.5

24.2

ЛАБ (1 : 6)

15.04.18

17.04.19

22.8

14.5

5.23

0.49

ЛАБ неочищ.

хранился с 02.02.18

17.04.19

11.4

8.9

5.64

0.59

ИПБ (1 : 1.5)

27.02.19

13.1

10.4

9.9

0.20

ИПБ (1 : 2)

14.02.19

18.02.19

9.9

8.7

8.4

ИПБ (1 : 2)

14.02.19

27.02.19

9.3

7.9

7.5

0.55

ИПБ неочищ.

18.02.19

6.6

5.9

5.5

ИПБ неочищ.

27.02.19

6.0

5.3

5.2

0.61

самых распространенных способов очистки рас-

Тот факт, что длина ослабления света у ЛАБа

творителей для сцинтилляторов является хромато-

больше, чем у изопропилбензола, можно объяс-

графическая очистка на оксиде алюминия, которая

нить тем, что более длинные, чем у кумола, ал-

впервые была применена в работе [34]. Соотно-

кильные радикалы ЛАБа препятствуют реакциям

шение объемов оксида алюминия и очищаемого

окисления (стерический фактор).

растворителя является важным параметром. Наи-

лучшие результаты для очистки ЛАБа получаются

ВЛИЯНИЕ ГАДОЛИНИЯ НА ПРОЦЕССЫ

при соотношении VAl2O₃ : Vраств. = 1 : 1.

ОКИСЛЕНИЯ АЛКИЛБЕНЗОЛА

В табл. 1 приведены длины ослабления света

Чтобы понять, как соединения гадолиния будут

(L) для ЛАБа, изопробилбензола (ИПБ) в зави-

влиять на процессы окисления, были иссле-

симости от условий очистки и времени хранения,

дованы процессы окисления изопропилбензола

а также в последнем столбце дана концентрация

кислородом воздуха при температуре 120^◦C без

гидропероксидов в исследуемых образцах (C_гп).

катализатора и в присутствии триметилгексаноата

гадолиния, концентрация которого составляла

Из результатов табл. 1 видно, что длина ослаб-

0.0064 моль/л (1 г/л).

ления света как у ЛАБа, так и ИПБ падает со вре-

На рис. 3 показаны зависимости поглощения

менем, прошедшим со дня очистки. Длина ослаб-

света при 330 нм (A) от времени окисления для

ления света у ЛАБа больше, чем у ИПБ, как у

проб чистого ИПБ (треугольники) и растворов

очищенного, так и неочищенного.

ИПБ с гадолинием.

Можно предположить, что в процессе хране-

Из рис. 3 видно, что с увеличением времени

ния на воздухе во всех исследуемых образцах уг-

окисления значения поглощения при 330 нм для

леводородов (ЛАБ, ИПБ) образуются продукты

проб с гадолинием становятся существенно выше,

окисления, имеющие полосу поглощения в более

чем без гадолиния, хотя начальные значения погло-

длинноволновой области и обладающие большим

щения очень близки.

коэффициентом экстинкции по сравнению с иссле-

Методом газо-жидкостной хроматографии

дуемым растворителем.

(ГЖХ) в реакционной массе также были найдены

ацетофенон и диметилфенилкарбинол (2-фенил, 2-

Из данных, приведенных в табл. 1, можно за-

пропанол), концентрация которых увеличивается

метить, что существует корреляция между длиной

со временем окисления.

ослабления света и концентрацией гидроперокси-

дов алкилбензолов, чем больше длина ослабления

Концентрация гадолиния после окисления в те-

света, тем меньше концентрация гидропероксидов

чение 2 ч при температуре 120^◦C не изменилась,

в исследуемом образце. (Гидропероксиды в образ-

никаких осадков замечено не было.

цах ЛАБа и ИПБ были проанализированы йодо-

Поэтому, на наш взгляд, нельзя судить о ста-

метрическим методом [35].)

бильности Gd-содержащего сцинтиллятора только

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

Gd- И Nd-СОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Поглощение

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

Длина волны, нм

Рис. 2. Спектры поглощения 0.001 М растворов бензола, ЛАБа и гидропероксида кумола в гексане. 1 — бензол, 2 —

ЛАБ, 3 — гидропероксид кумола. Измерены в 1 см кюветах по отношению к гексану.

Поглощение

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

100

120

140

Время, мин

Рис. 3. Зависимостьпоглощениясвета (A) при330 нм от времени окислениядля ИПБ (▾) и растворовИПБ с гадолинием

(C_Gd = 1 г/л) (■).

по неизменности концентрации гадолиния в нем,

уменьшение прозрачности может не сказываться

как это было сделано в работе [27].

на световыходе сцинтиллятора, но при увеличении

его объема будет играть существенную роль.

Концентрация гадолиния может не изменяться,

но его присутствие может влиять на увеличение

Также, на наш взгляд, даже при использовании

концентрации продуктов окисления и, как след-

довольно чистых промышленных растворителей,

ствие, уменьшение прозрачности сцинтиллятора.

таких как ЛАБ, недостаточно просто продувать их

Для сцинтилляторов небольшого объема такое

инертным газом, чтобы удалить кислород, но необ-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

НОВИКОВА и др.

ходимо еще дополнительно очищать их от гидропе-

Y. J. Ko et al. (NEOS Collab.), Phys. Rev. Lett. 118,

роксидов, которые могут претерпевать дальнейшие

121802 (2017).

превращения и ухудшать прозрачность сцинтилля-

C. Buck, B. Gramlich, M. Linder, C. Roca, and

тора.

S. Schoppmann, arXiv: 1812.02998v1 [physics. ins-

det].

Особенно это важно для Gd- и Nd-содержащих

J. Zhu, H. Ren, Y. Bi, Y. Xu, and L. Zhang, J. Lumin.

жидких органических сцинтилляторов, так как

194, 494 (2018).

комплексы этих металлов могут служить катали-

А. П. Серебров, В. Г. Ивочкин, Р. М. Самойлов,

заторами процессов окисления алкилбензолов.

А. К. Фомин, В. Г. Зиновьев, П. В. Неустроев,

В. Л. Головцов, А. В. Чёрный, О. М. Жеребцов,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

А. О. Полюшкин, В. П. Мартемьянов, В. Г. Тара-

сенков, В. И. Алёшин, А. Л. Петелин, А. Л. Ижутов,

При разработке жидких органических сцинтил-

А. А. Тузов и др., ЖТФ 87, 294 (2017).

ляторов с Nd/Gd желательно учитывать следую-

10.

М. Б. Громов, Г. А. Лукьянченко, Г. Я. Новикова,

щее:

Б. А. Обиняков, А. Ю. Оралбаев, М. Д. Скорохва-

1. Для стабилизации характеристик сцинтилля-

тов, С. В. Сухотин, А. С. Чепурнов, А. В. Этенко,

торов важно, чтобы используемые карбоксилаты

ЭЧАЯ 48, 953 (2017)

[Phys. Part. Nucl. 48, 981

(2017)].

и бета-дикетонаты Nd/Gd были координационно-

11.

M. Gromov, D. Kuznetsov, A. Murchenko,

насыщены.

G. Novikova, B. Obinyakov, A. Oralbaev, K. Plakitina,

2. Световыход карбоксилатов выше, чем у бета-

M. Skorokhvatov, S. Sukhotin, A. Chepurnov, and

дикетонатов, но сопоставим при малых концентра-

A. Etenko, J. Phys.: Conf. Ser. 934, 012005 (2017).

циях металлов.

12.

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, А. В. Вересникова,

3. Преимуществом бета-дикетонатов по сравне-

Ю. М. Гаврилюк, В. И. Гуренцов, В. В. Казалов,

нию с карбоксилатами является летучесть, что дает

В. В. Кузьминов, Г. Я. Новикова, С. В. Семенов,

дополнительную возможность очистки соединений

В. В. Синев, Г. О. Цветков, Е. А. Янович, ЯФ 82,

Nd/Gd.

100 (2019) [Phys. At. Nucl. 82, 89 (2019)].

13.

Ya. Ding, Z. Zhang, J. Liu, Z. Wang, P. Zhou, and Yu.

4. Основной растворитель сцинтиллятора дол-

Zhao, Nucl. Instrum. Methods A 584, 238 (2008).

жен быть тщательно очищен от продуктов окис-

14.

F. Ardellier et al. (Double Chooz Collab.), hep-

ления и всегда должен храниться в инертной ат-

ex/0606025v4.

мосфере, что особенно важно для создания Gd- и

15.

I. R. Barabanov, L. B. Bezrukov, C. M. Cattadori,

Nd-содержащих жидких органических сцинтилля-

N. A. Danilov, A. di Vacri, Yu. S. Krilov, L. Ioannucci,

торов, так как вводимые в сцинтиллятор соедине-

E. A. Yanovich, M. Aglietta, A. Bonardi, G. Bruno,

ния этих металлов могут оказывать каталитическое

W. Fulgione, E. Kemp, A. S. Malguin, A. Porta, and

воздействие на процессы окисления алкилбензо-

M. Selvi, J. Instrum. 5, P04001 (2010).

лов.

16.

Г. Я. Новикова, Н. И. Бакулина, А. В. Вологжанина,

Исследовательская работа выполнена при фи-

Б. В. Локшин, В. П. Моргалюк, ЖНХ 61, 270

нансовой поддержке гранта РНФ 17-12-01331.

(2016) [Russ. J. Inorg. Chem. 61, 257 (2016)].

17.

Г. Я. Новикова, Н. И. Бакулина, В. П. Моргалюк,

ЖНХ 59, 389 (2014) [Russ. J. Inorg. Chem. 59, 244

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(2014)].

1. S.-B. Kim, Nucl. Part. Phys. Pros. 265-266, 93

18.

Г. Я. Новикова, И. Р. Барабанов, Л. Б. Безру-

(2015); doi: 10.1016/j.nuclphysbps.2015.06.024

ков, Л. И. Белоус, Н. А. Данилов, А. А. Иванов,

2. F. P. An, J. Z. Bai, A. B. Balantekin, H. R. Band,

Р. Х. Зиганшин, Е. А. Янович, ЖНХ 54, 1143 (2009)

D. Beavis, W. Beriguete, M. Bishai, S. Blyth,

[Russ. J. Inorg. Chem. 54, 1082 (2009)].

K. Boddy, R. L. Brown, B. Cai, G. F. Cao,

19.

H. Furuta, Y. Fukuda, T. Hara, T. Haruna, N. Ishihara,

J. Cao, R. Carr, W. T. Chan, J. F. Chang,

M. Ishitsuka, C. Ito, M. Katsumata, T. Kawasaki,

et al., Phys. Rev. Lett.

108,

171803

(2012);

T. Konno, M. Kuze, J. Maeda, T. Matsubara,

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.171803

H. Miyata, Y. Nagasaka, K. Nitta, et al., arXiv:

3. W. Beriguete, J. Cao, Y. Ding, S. Hans, K. M. Heeger,

1108.2910v1 [hep-ex].

L. Hu, A. Huang, K. Luk, I. Nemchenok, M. Qi,

20.

M. Apollonio et al. (Chooz Collab.), Phys. Lett. B

R. Rosero, H. Sun, R. Wang, Y. Wang, L. Wen,

466, 415 (1999).

Y. Yang, et al., Nucl. Instrum. Methods A 763, 82

21.

A. G. Piepke, S. W. Mozer, and V. M. Novikov, Nucl.

(2014).

Instrum. Methods A 432, 392 (1999).

4. The Double Chooz Collaboration (Y. Abe et al.),

22.

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, C. Cattadori,

JHEP 1410, 086 (2014);

Н. А. Данилов, A. Di Vacri, A. Ianni, S. Nisi,

https://doi.org/10.1007/JHEP10(2014)086

Г. Я. Новикова, F. Ortica, A. Romani, C. Salvo,

5. C. Buck and M. Yeh, arXiv:

1608.04897v1

О. Ю. Смирнов, Е. А. Янович, ПТЭ, № 5, 37 (2012)

[physics.ins-det].

[Instrum. Exp. Techn. 55, 545 (2012)].

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020

Gd- И Nd-СОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

23.

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, Г. Я. Новикова,

29. H. S. Kim et al. (RENO Collab.), arXiv:

Е. А. Янович, ПТЭ, № 4, 82 (2017) [Instrum. Exp.

1609.09483v1 [physics.ins-det].

Techn. 60, 533 (2017)].

30. M. Katsumata, H. Miyta, N. Tamura, and

24.

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, Г. Я. Новикова,

T. Kawasaki, Nucl. Instrum. Methods A 629, 50

Е. А. Янович, Письма в ЭЧАЯ 15, 502 (2018) [Phys.

(2011).

Part. Nucl. Lett. 15, 630 (2018)].

31. M. Yeh, J. B. Cumming, S. Hans, and R. L. Hahn,

25.

Д. Н. Суглобов, Г. В. Сидоренко, Е. К. Легин, Ле-

Nucl. Instrum. Methods A 618, 124 (2010).

тучие органические и комплексные соединения

32. Н. И. Бакулина, Г. Я. Новикова, А. С. Редчин,

f-элементов (Энергоатомиздат, Москва, 1987).

Т. В. Бухаркина, С. В. Вержичинская, М. Г. Мака-

26.

Л. Б. Безруков, Г. Я. Новикова, Е. А. Янович,

ров, В. В. Зинченко, И. Ю. Кузнецов, Химическая

А. И. Костылев, Н. А. Корсакова, Е. К. Легин,

А. Е. Мирославов, М. Д. Караван, Б. В. Локшин,

промышленность сегодня, № 3, 38 (2018).

В. П. Моргалюк, ЖНХ 63, 1555 (2018)

[Russ.

33. Л. Б. Безруков, Н. И. Бакулина, Н. С. Иконников,

J. Inorg. Chem. 63, 1564 (2018)].

В. П. Моргалюк, Г. Я. Новикова, А. С. Чепурнов,

27.

Y. Hino, H. Furuta, and F. Suekane, arXiv:

Препринт ИЯИ РАН № 1382/2014 (Москва, 2014).

1904.10243v1 [physics. ins. det].

34. А. В. Воеводский, В. Л. Дадыкин, О. Г. Ряжская,

28.

М. Б. Громов, Д. С. Кузнецов, А. Е. Мурченко,

ПТЭ, № 1, 85 (1970).

Г. Я. Новикова, Б. А. Обиняков, А. Ю. Оралбаев,

35. И. С. Ващенков, С. В. Вержичинская, О. С. Гре-

К. В. Плакитина, М. Д. Скорохватов, С. В. Сухотин,

А. С. Чепурнов, А. В. Этенко, Письма в ЖТФ, № 6,

чишкина, М. А. Караджев, Е. С. Петина, Успехи в

59 (2018) [Techn. Phys. Lett. 44, 251 (2018)].

химии и химической технологии 28(10), 10 (2014).

Gd- AND Nd-LOADING LIQUID ORGANIC SCINTILLATORS

G. Y. Novikova¹⁾, M. V. Solovyova^1),2), E. A. Yanovich¹⁾

¹⁾ Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

²⁾ Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

The factors affecting the stability of Gd-, Nd-loading liquid organic scintillators designed for large-scale

experimental installations of neutrino physics and astrophysics are considered. The analysis of the effect of

the composition (type and structural formula of Gd, Nd compounds) on the optical characteristics of the

scintillator was made. It was shown that one of the causes of degradation (decrease in transparency) of the

scintillator is the oxidation of alkyl benzenes, the compounds Gd and Nd can be catalysts of the oxidation

processes.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№1

2020