ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2022, том 85, № 6, с. 459-467

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ

РЕДКИХ СОБЫТИЙ, МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТ U, Th И К

А. Д. Луканов¹⁾, В. П. Моргалюк²⁾, А. М. Немерюк³⁾, Г. Я. Новикова^1)*

Поступила в редакцию 30.06.2022 г.; после доработки 30.06.2022 г.; принята к публикации 02.07.2022 г.

Обсуждаются вопросы разработки жидких органических сцинтилляторов с точки зрения уровня

содержания радиоактивных примесей в детекторах для регистрации редких событий. Приведены

результаты исследований различных методов очистки отдельных компонентов сцинтиллятора от U,

Th и К. Показано, что основным источником загрязнения калием (⁴⁰К) является сцинтилляционная

добавка РРО (2,5-дифенилоксазол), концентрация К в которой в разных партиях варьирует от

0.8 до 7.1 мкг/г. В линейном алкилбензоле (ЛАБ, Россия), который рассматривается в качестве

перспективного растворителя для создания крупномасштабного нейтринного детектора, измеренная

концентрация калия составляет ∼10-8 г/г.

DOI: 10.31857/S0044002722060149

1. ВВЕДЕНИЕ

сцинтиллятора и смогли довести уровень радиоак-

тивности до уровня, близкого к Борексино. В ре-

Одним из основных условий успешной рабо-

зультате оказалось возможным получить незави-

ты детекторов, предназначенных для регистрации

симый результат по солнечным бериллиевым ней-

редких событий, является очень низкий уровень

трино, а используя полученные данные по ос-

собственной радиоактивности сцинтиллятора.

цилляциям нейтрино, доказать, что поток берил-

лиевых нейтрино соответствует стандартной сол-

В настоящее время самый низкий уровень ра-

нечной модели. Вынужденная остановка ядерных

диоактивности был достигнут в эксперименте Бо-

реакторов на атомной станции Фукусима (вслед-

рексино [1], что позволило измерить не только

ствие землетрясения в марте 2011 г.) дала воз-

поток солнечных бериллиевых нейтрино (перво-

можность идентифицировать больше событий от

начально заявленная цель Борексино), но и ней-

антинейтрино земного происхождения (геонейтри-

трино от других реакций pp-цикла, а также гео-

но) (всего было выделено 116 таких событий).

нейтрино (Состав сцинтиллятора детектора Борек-

В дальнейшем суперчистый детектор KamLAND

сино: псевдокумол (РС) с добавкой 1.5 г/л 2,5-

решили использовать для поиска двойного без-

дифенилоксазола (РРО)).

нейтринного β-распада, для чего в центр суще-

ствующего килотонного сцинтиллятора поместили

Представляет интерес история эксперимента

еще один небольшой нейлоновый шар, заполнен-

KamLAND [2-5], в котором растворителем служит

ный очищенным сцинтиллятором с растворенным

смесь РС (20%) и додекана (80%), а сцинтил-

в нем ксеноном, предварительно обогащенным по

ляционной добавкой — РРО (2.7 г/л). Первона-

изотопу¹³⁶Хе (степень обогащения ∼91%). После

чально этот эксперимент был задуман для поиска

чего эксперимент получил название KamLAND-

осцилляций антинейтрино от ядерных реакторов

Zen (где Zen — аббревиатура от Zеrro Neutrino).

(LAND — Liquid Antineutrino Detector, Kam — от

названия места расположения — Kamioka). После

Также для поиска двойного безнейтринного β-

того, как эта задача была решена, в KamLAND

распада предназначен эксперимент SNO+ [5-7] с

провели лабораторные исследования по очистке

особо чистым сцинтиллятором на основе линейного

алкилбензола (ЛАБ) [6] с введенным в него изото-

¹⁾Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия.

пом¹³⁰Te. Первоначально в SNO+ намеревались

²⁾Институт элементоорганических соединений РАН

вводить в сцинтиллятор¹⁵⁰Nd, но отсутствие вы-

им. А.Н. Несмеянова, Москва, Россия.

сокоэффективных технологий обогащения неодима

³⁾НИЦ “Курчатовский институт”— ИРЕА, Москва, Рос-

сия.

по¹⁵⁰Nd (которого в натуральной смеси изотопов

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

всего 5.6%) вынудило выбрать другой элемент —

459

460

ВЕРЕТЕНКИН и др.

теллур, который содержит 34.08% нужного изотопа

Из табл. 1 видно, что концентрации радиоак-

¹³⁰Te, что позволяет использовать его без обогаще-

тивных элементов столь низкие, что их трудно из-

ния. В результате многочисленных исследований в

мерить существующими лабораторными методами,

качестве подходящего соединения для растворения

такими как ICP OES, ICP MS.

в ЛАБе был выбран сложный эфир теллуровой

Концентрации U и Th в сцинтилляторах опреде-

кислоты и н-бутандиола [5].

ляют методом задержанного совпадения, исполь-

В настоящее время в Китае практически готов к

зуя пару короткоживущих изотопов, входящих в их

радиоактивные ряды: в случае урана это изотопы

работе крупномасштабный эксперимент JUNO [8-

11] с 20-килотонным низкофоновым сцинтиллято-

²¹⁴Bi-²¹⁴Po, в случае Th —²¹²Bi-²¹²Po.

ром, основой которого также является ЛАБ. В ка-

В табл. 2 приводятся скорости распада изотопов

честве сцинтилляционных добавок используются

полония, которым будут соответствовать концен-

РРО (2.5 г/л) и 1,4-бис(2-метилстирил)бензол

трации U и Th, равные 10-15 г/г, при условии,

(bis-MSB, 30 мг/л). Главной задачей эксперимента

что в радиоактивных рядах сохраняется вековое

JUNO является определение иерархии масс ней-

равновесие.

трино, а также, поскольку он имеет большой объем

Чем больше объем исследовательского сцин-

и высокую радиохимическую чистоту, он может

тиллятора, тем больше скорость набора данных.

быть использован для регистрации солнечных и

В эксперименте JUNO в настоящее время создан

геонейтрино, нейтрино от сверхновых звезд и др.

самый большой прототип детектора с внутренним

В России также планируется создание боль-

объемом 20 м³ (18 т сцинтиллятора). Он поз-

шого сцинтилляционного детектора на Баксанской

воляет контролировать степень очистки сцинтил-

Нейтринной Обсерватории (БНО) [12]. Поскольку,

лятора непосредственно в момент его заливки в

в отличие от KamLAND и JUNO, лаборатория

полномасштабный детектор (20 кт) и поэтому на-

БНО расположена вдали от действующих ядерных

зывается Online Scintillator Internal Radioactivity

реакторов, то в этом случае создаются оптималь-

Investigation System (OSIRIS) [19]. В будущем его

ные в фоновом отношении условия для измерения

предполагается использовать для своей самостоя-

геонейтрино.

тельной задачи (Serappis Experiment [20]).

В настоящее время в БНО ведутся работы по

В JUNO задействованы все методы очистки

созданию прототипа большого сцинтилляционного

сцинтиллятора, применяемые в настоящее время:

детектора [13, 14] и исследуются методы его очист-

сорбционная очистка на Al₂O₃, вакуумная дистил-

ки от U, Th и К.

ляция, водная экстракция и продувка сцинтилля-

тора сверхчистым азотом, причем два последних

метода используются в особо чистой комнате, рас-

2. ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ

положенной под землей.

РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В эксперименте Борексино все установки по

В ЖИДКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРАХ

очистке располагались в особо чистой комнате,

На этапе проверки различных технологий

расположенной под землей, для прототипа СТF-1

очистки и сопоставления с результатами достиг-

[17] не использовали хроматографический метод

нутых фоновых измерений, вызванных распадом

очистки, так как псевдокумол, имеющий доста-

примесей радиоактивных элементов в сцинтилля-

точно низкую температуру кипения (169^◦C), хоро-

торе, используются прототипы полномасштабных

шо очищается от радиоактивных и органических

детекторов. В эксперименте Борексино таким про-

примесей с помощью дистилляции. (Дополнитель-

тотипом являлся Counting Test Facility (CTF). На

но применяли водную экстракцию, которую при

нем были исследованы два типа сцинтилляторов —

очистке сцинтиллятора онлайн чередовали с ди-

одного на основе РС и РРО (СTF-1) [15-17] и

стилляцией, а также продувку сверхчистым азотом

второго на основе 1,1-фенилксилилэтана (РХЕ)

для удаления паров воды и газообразных радиоак-

и п-Tерфенила (р-Tр) (СTF-ll) [18]. В результате

тивных примесей.)

проведенных исследований был выбран сцинтил-

При выборе в качестве высококипящего раство-

лятор с РС, одним из преимуществ которого было

рителя РХЕ в СТF-ll [18] была исследована также

то, что он имел более низкую концентрацию по

сорбционная очистка на силикагеле. Показано, что

¹⁴С, так как сырьем являлась нефть глубокого

при использовании в качестве сцинтилляционной

залегания, в которой изначально было меньшее

добавки р-Тр такую очистку можно проводить он-

содержание радиоактивного углерода.

лайн, так как в отличие от РРО липофильный и

В табл. 1 представлены концентрации радио-

не содержащий в своем составе атомов кислорода

активных элементов, которые были достигнуты в

и азота пара-терфенил не сорбируется на сили-

Борексино и KamLAND, а также требования, вы-

кагеле. Как нашли в эксперименте CTF-ll, при-

двигаемые для эксперимента JUNO.

менение силикагеля для очистки растворителя не

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022

ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

461

Таблица 1. Требования по радиочистоте для JUNO [19] в сравнении с экспериментальными значениями,

достигнутыми в KamLAND [2] и Borexino [1]

Изотоп

JUNO IBD, г/г

JUNO solar, г/г

KamLAND, г/г

Borexino, г/г

²³⁸U

1 × 10-15

1 × 10-16

(5.0 ± 0.2) × 10-18

<1 × 10-18

²³²Th

1 × 10-15

1 × 10-16

(1.3 ± 0.1) × 10-17

<1 × 10-18

²¹⁰Po

5 × 10-24

∼2 × 10-23

<1 × 10-25

⁴⁰K

1 × 10-16

1 × 10-17

(7.3 ± 1.2) × 10-17

<1 × 10-19

¹⁴C

1 × 10-17

(3.98 ± 0.94) × 10-18

2.7 × 10-18

только улучшает прозрачность сцинтиллятора, но

В последнее время было замечено, что в разных

и сорбционно удаляет примеси U и Th.

партиях ЛАБа концентрация 9-метилантрацена

может немного различаться. На рис. 1 показа-

ны спектры образцов ЛАБа, взятого с завода

3. ЛАБ — КАК ОСНОВА СЦИНТИЛЛЯТОРА.

в декабре

2020

г., и ЛАБа, хранившегося в

ОЧИСТКА НА Al₂O₃

еврокубе с октября

2013

г., а также спектры

В настоящее время одним из самых востре-

ЛАБа 2013 г. после очистки на Al₂O₃ (Aluminium

бованных растворителей для создания жидких

Oxide for Chromatography, ТУ 6-09-3916-75, Ч,

органических сцинтилляторов является линейный

ChemElements^TM). Все спектры регистрировались

алкилбензол. В сравнении с ранее используемыми

в январе 2021 г.

растворителями ЛАБ имеет ряд преимуществ:

Из рис. 1 видно, что в образце ЛАБа, взятого

высокую температуру вспышки, большую длину

с завода в конце 2020 г., пики при 350, 368 и

ослабления света, конкурентоспособный свето-

389 нм интенсивнее, чем у ЛАБа 2013 г. Однако

выход (75% от РС), совместимость со многими

поглощение света в интересующей нас области

конструкционными материалами, включая по-

(420-440 нм) значительно меньше у ЛАБа 2020 г.,

лиметилметакрилат (акрил), экологическую без-

чем у хранящегося с 2013 г., что можно видеть на

опасность (биоразлагаемость 95%). ЛАБ имеет

рис. 2. Очевидно, что 9-метилантрацен не оказы-

развитое многотоннажное производство во многих

вает существенного влияния на поглощение света в

странах мира, поскольку широко применяется

области 420-440 нм.

для производства жидких моющих средств. Это

Из рис. 2 видно, что поглощение света ЛАБом

дает возможность каждой стране при создании

сцинтилляторов использовать ЛАБ местного про-

после очистки на Al₂O₃ (при соотношении VAl2O₃ :

V_ЛАБ = 1 : 1) становится почти таким же, как у

изводства. Поэтому всегда важно предварительно

ЛАБа, недавно взятого с завода. Из этого следует,

исследовать его состав и свойства. Так, в экс-

перименте SNO+ используют ЛАБ канадского

что основными компонентами ЛАБа, влияющими

на длину ослабления света, являются продукты

производства (Petresa, Канада), результаты иссле-

окисления алкилбензолов, образующиеся при хра-

дований его состава приведены в работе [6].

нении ЛАБа в контакте с воздухом. Нами про-

Ранее мы сравнивали состав канадского ЛАБа

водились исследования окисления ЛАБа в жест-

(Petresa, Канада) с российским (ООО “Кинеф”,

ких условиях (при температуре 120^◦C, пропуска-

Кириши), используя хромато-масс-спектрометри-

нии через него воздуха и перемешивании), и было

ческий метод анализа; было показано, что по ос-

показано, что это приводит к интенсивному на-

новным компонентам (алкилбензолам) состав их

коплению продуктов окисления, как начальных —

практически совпадает [21, 22].

гидропероксидов, так и конечных — карбоновых

Единственное отличие российского ЛАБа от

кислот [22]. Поскольку ЛАБ является смесью 20

канадского (а также, как оказалось, и от китай-

различных алкилбензолов, что затрудняет иден-

ского, и корейского) заключается в том, что на

тификацию промежуточных продуктов окисления,

УФ-спектре российского ЛАБа имеются три пика

нами было проведено исследование окисления на

при 350, 368 и 389 нм. Нам удалось доказать,

модельном алкилбензоле — самом простейшем го-

что эти пики принадлежат 9-метилантрацену [21,

мологе ЛАБа: изопропилбензоле. Результаты этих

22], и они исчезают при очистке ЛАБа на Al₂O₃

исследований частично изложены в работе [23],

при соотношении V_ЛАБ : VAl2O₃ = 2 : 1 (это зависит

где показано, что при окислении изопропилбен-

также от происхождения используемого Al₂O₃ и

зола помимо гидропероксида происходит накоп-

его активации).

ление таких продуктов, как ацетофенон и диме-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022

462

ВЕРЕТЕНКИН и др.

Поглощение

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

320

340

360

380

400

420

440

Длина волны, нм

Рис. 1. UV/VIS-спектры поглощения ЛАБ в области 315-450 нм: 1 — ЛАБ, взятый с завода в декабре 2020 г., 2 —

ЛАБ, хранящийся в еврокубе с 2013 г., 3 — ЛАБ (2013), очищенный на Al2O3 (1 часть), 4 — ЛАБ (2013), очищенный на

Al2O3 (3 часть).

Поглощение

0.02

0.01

-0.01

-0.02

-0.03

360

380

400

420

440

460

480

500

Длина волны, нм

Рис. 2. UV/VIS-спектры поглощения ЛАБ в области 360-500 нм: 1 — ЛАБ, взятый с завода в декабре 2020 г., 2 —

хранящийся в еврокубе с 2013 г., 3 — ЛАБ (2013), очищенный на Al2O3 (1 часть), 4 — ЛАБ (2013), очищенный на Al2O3

(3 часть).

тилфенилкарбинол, причем катализатором процес-

RENO [24], Daya Bay [25], NEOS [26], iDREAM

сов окисления может служить триметилгексаноат

[27], где в качестве растворителя также приме-

гадолиния, который использовался для создания

нялся ЛАБ. В этих экспериментах не произво-

Gd-содержащих сцинтилляторов в экспериментах: дилась очистка ЛАБа, так как они были предна-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022

ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

463

Таблица 2. Основные параметры схемы совпадений от распада Bi-Po и их связь с концентрациями U/Th

Ряды

Предельная концентрация, г/г

β-α-совпадение

Активность, Бк/кг

Po, T1/2, Мкс

²³⁸U

10-15

²¹⁴Bi-²¹⁴Po

1.2 × 10-8

164.3

²³²Th

10-15

²¹²Bi-²¹²Po

0.4 × 10-8

0.3

Таблица 3. Поглощение (A) и длина ослабления света (L) ЛАБа до и после перегонки

Образец

A_min

A₄₄₀

A₄₃₀

A₄₂₀

L₄₄₀, м

L₄₃₀, м

L₄₂₀, м

Исходный ЛАБ

-0.0198

-0.0110

-0.0084

-0.0053

4.9

3.8

3.0

Повторение

-0.0199

-0.0113

-0.0087

-0.0059

5.1

3.9

3.1

После перегонки

-0.0209

-0.0194

-0.0181

-0.0168

29.0

15.5

10.6

Повторение

-0.0209

-0.0193

-0.0180

-0.0169

27.2

15.0

10.9

значены для исследования потоков антинейтрино

становятся отрицательными по отношению к зна-

от ядерных реакторов, и объемы детекторов были

чениям поглощения кюветы с воздухом). Длина

сравнительно небольшими. Тем не менее, анализ

ослабления света (L) рассчитана по формуле:

деградации Gd-содержащих сцинтилляторов пока-

L₄₂₀ = 10/2.3(A₄₂₀ - A_min).

зал, что изменение характеристик сцинтилляторов

было значительно меньше, если использовалась

Как видно из табл. 3, длина ослабления света

глубокая очистка компонентов сцинтиллятора [25].

после перегонки ЛАБа при 430 и 420 нм увеличи-

вается более чем в 3.5 раза и достигает примерно

При создании сцинтилляторов большого объ-

тех же значений, какие были у ЛАБа, когда он был

ема, нацеленных на регистрацию редких событий,

взят непосредственно с завода сразу после синтеза.

очистка всех компонентов сцинтиллятора, очевид-

но, имеет еще более существенное значение.

Для определения изменения содержания радио-

активных примесей в ЛАБе при перегонке на ро-

торном вакуумном испарителе дополнительно ис-

пользовали водную экстракцию, которая, как было

4. ПЕРЕГОНКА ЛАБа НА РОТОРНОМ

показано ранее [28], хорошо реэкстрагирует K, U,

ВАКУУМНОМ ИСПАРИТЕЛЕ

Th. В качестве реэкстрагента использовался 0.01

М раствор диметиламинодифосфоновой кислоты

Дистилляция при пониженном давлении являет-

(ДАМДФК), которая, как было найдено в [29], хо-

ся наиболее востребованным методом очистки рас-

рошо подходит для селективного удаления U и Th.

творителей, с помощью которого можно удалить не

только органические примеси, влияющие на длину

Используемое соотношение фаз составляло V_ЛАБ :

ослабления света, но и неорганические соединения,

V_вод.ф = 10 : 1. Реэкстракция повторялась трижды.

в том числе радиоактивные элементы, такие как U,

Анализ проводился в водной фазе методом ICP

Th,⁴⁰K.

OES на приборе OPTIMA 7000 DV. Результаты

реэкстракции калия представлены в табл. 4 (ре-

В табл.

приводятся поглощение и длина

зультаты анализа U и Th оказались на уровне фона

ослабления света образцов ЛАБа до и после

прибора).

перегонки с использованием вакуумного ротор-

Из табл. 4 видно, что концентрация калия в

ного испарителя (V_колбы = 20 л, T = 180^◦C, P =

ЛАБе после однократной перегонки уменьшается

= 5 мбар). Используемый для перегонки исходный

почти в 2 раза.

ЛАБ (ООО “Кинеф”, г. Кириши) хранился в

еврокубах примерно с 2007 г.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ

Исследования производились на спектрофото-

КАЛИЯ В ЛАБе ПОСЛЕ ОЧИСТКИ

метре Perkin Elmer Lambda 35 в кварцевых кю-

НА Al₂O₃

ветах длиной 10 см, в качестве эталона исполь-

зовалась пустая кювета (поскольку коэффициент

Также было исследовано изменение содержания

преломления ЛАБа близок к коэффициенту пре-

калия в ЛАБе после пропускания его через колонку

ломления кварца, значения поглощения с ЛАБом

с Al₂O₃, так как ранее в [30] было показано, что U

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022

464

ВЕРЕТЕНКИН и др.

Таблица 4. Результаты реэкстракции калия из ЛАБа до перегонки и после перегонки; экстрагент — 0.01 М

ДАМДФК в деионизированной воде

C_K в водной

m_K в водной

C_K в образце,

Образцы

V_о : V_в

N_экс

фазе, мг/л

фазе, мкг

×10-8 г/г

0.01 М ДАМДФК

0.012 ± 0.001

ЛАБ исходный,

10 : 1

0.165 ± 0.002

4.50 ± 0.03

2.63 ± 0.02

200 мл (171 г)

10 : 1

0.061 ± 0.001

10 : 1

0.035 ± 0.001

ЛАБ перегнанный,

10 : 1

0.079 ± 0.001

2.48 ± 0.02

1.45 ± 0.01

200 мл (171 г)

10 : 1

0.042 ± 0.001

10 : 1

0.039 ± 0.001

и Th хорошо сорбируются на Al₂O₃ и силикагеле

производства (в частности, использования щелоч-

(эти исследования проводились с использованием

ных растворов на одной из стадий).

носителей и сцинтилляционного метода анализа).

В РРО, используемом в эксперименте Борекси-

Вопреки ожиданиям после пропускания ЛАБа

но, содержится 2 мкг/г калия [17], но не приводятся

сквозь слой Al₂O₃ оказалось, что содержание ка-

данные о происхождении РРО (в Борексино для

лия в ЛАБе увеличилось с 1.5 × 10-8 до 4.9 ×

анализа использовали нейтронно-активационный

× 10-8 г/г (использовался ЛАБ, хранящийся с

анализ [32]).

2013 г., ЛАБ пропускался через колонку с Al₂O₃

Наши исследования показали, что в разных

при соотношении VAl2O₃ : VЛАБ = 1 : 4).

партиях РРО содержится разное количество

калия. Концентрация калия в РРО (РЕАХИМ,

Поэтому было исследовано содержание калия в

2,5-дифенилоксазол сцинтилляционный, х.ч. ТУ

самом Al₂O₃, для чего навеску оксида алюминия

6-093952-79) в разных партиях варьирует от

(31.02 г) помещали в коническую колбу, прилива-

ли к ней 100 мл деионизированной воды и пере-

0.8

до

7.4

мкг/г, в РРО (Aldrich, D210404,

мешивали магнитной мешалкой в течение 5 мин.

Lot#MKBC5146V) составляет 1.2 мкг/г.

Затем операцию повторяли 2 раза, добавляя по

Для анализа калия в РРО мы использовали экс-

200 мл деионизированной воды. Калий в водной

тракцию деионизированной водой (18 МОм) при

фазе анализировали методом ICP OES. В резуль-

отношении фаз VAl2O₃ : VЛАБ = 1 : 1, a priori счи-

тате получили, что концентрация калия в Al₂O₃

тая, что за две экстракции калий из концентриро-

(для хроматографии, “ч”, ТУ 6-09-3916-75, партия

ванных растворов РРО в ЛАБе (50 г/л) практиче-

15, II-88 г) составляет C_K = 1.6 × 10-5 г/г.

ски полностью переходит в водную фазу, после чего

Вероятно, во время хроматографической очист-

определяли концентрацию калия в водной фазе

ки ЛАБа на Al₂O₃ часть калия может переходить с

методом ICP OES. Экстракцию калия проводили

Al₂O₃ в ЛАБ. Этим также объясняется изначально

в одноразовой таре из ПЭТ (полиэтилентерефта-

большая концентрация калия в ЛАБе, так как на

лат). (Как оказалось, ПЭТ очень хорошо подходит

одной из стадий производства ЛАБа также приме-

для хранения как ЛАБа, так и деионизирован-

няется очистка на оксиде алюминия (для снижения

ной воды.) Фазы перемешивались встряхиванием,

содержания фторидов на входе в секцию Pacol

время разделения фаз после каждой экстракции

предусмотрена очистка потока рецикл-парафинов

составляло не менее суток, пробы водной фазы

с установки алкилирования при помощи активной

отбирались со дна тары.

окиси алюминия. Окись алюминия удаляет следы

Поскольку содержание калия в РРО оказа-

ионов фтора, связывая фторорганику с образова-

лось высоким, концентрированные растворы РРО

нием фтористого алюминия AlF₃ [31]).

в ЛАБе были использованы как модельные для

изучения условий экстракции калия из органиче-

ских растворов: зависимости экстракции от време-

6. ОЧИСТКА РРО ОТ КАЛИЯ

ни контакта фаз, эффективности экстракции калия

при использовании разных экстрагентов.

Как показали предварительные эксперименты,

наибольшее количество калия содержится в РРО,

В табл. 5 представлены результаты реэкстрак-

что, очевидно, также связано с технологией его

ции калия в зависимости от времени контакта фаз.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022

ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

465

Таблица 5. Результаты реэкстракции калия из раствора РРО^∗ (C = 50 г/л) в зависимости от времени контакта фаз

(V_о = V_в = 100 мл)

t, мин

Первая экстр. C_K, мг/л

Вторая экстр. C_K, мг/л

m_K в водной фазе, мкг

C_K в РРО, мкг/г

0.253 ± 0.002

0.054 ± 0.001

30.7 ± 0.2

6.14 ± 0.04

0.324 ± 0.003

0.023 ± 0.001

34.7 ± 0.3

6.94 ± 0.06

0.330 ± 0.001

0.017 ± 0.001

34.7 ± 0.1

6.94 ± 0.02

0.342 ± 0.006

0.017 ± 0.001

35.9 ± 0.6

7.18 ± 0.12

0.364 ± 0.001

0.008 ± 0.001

37.2 ± 0.1

7.44 ± 0.02

^∗ РРО — РЕАХИМ, 2,5-дифенилоксазол сцинтилляционный, х.ч. ТУ 6-093952-79, 06.88, партия 16.

Таблица 6. Результаты реэкстракции калия из растворов РРО (50 г/л) разными экстрагентами (V_о = V_в = 50 мл)

Экстрагент Первая экстр. C_K, мг/л Вторая экстр. C_K, мг/л Масса К в водной фазе, мкг C_K в РРО, мкг/г

0.001 М

0.332 ± 0.001

0.004 ± 0.001

16.8 ± 0.1

6.7 ± 0.1

0.01 М

0.307 ± 0.001

0.005 ± 0.001

15.6 ± 0.1

6.2 ± 0.1

Н₂О

0.305 ± 0.003

0.011 ± 0.001

15.3 ± 0.2

6.3 ± 0.1

Н₂SО₄

0.347 ± 0.002

0.007 ± 0.001

17.4 ± 0.1

7.1 ± 0.1

Из табл. 5 видно, что для эффективной реэкс-

микропористом фильтре фирмы PALL с диаметром

тракции калия из раствора РРО в ЛАБе достаточ-

пор 0.1 мкр и нашли, что после пропускания через

но всего 5 мин.

такой фильтр длина ослабления света в ЛАБе при

Также была исследована эффективность ре-

430, 420 нм увеличивается примерно на 1 м, при

экстракции калия в зависимости от использова-

этом содержание калия не изменяется.

ния разных экстрагентов: деионизированной воды

Также очень важно применение микропористых

(18 МОм), 0.01 М раствора Н₂SО₄, 0.001 М и

фильтров для очистки от пыли сверхчистого азота,

0.01 М раствора ДАМДФК. Результаты этих ис-

который используется для продувки сцинтилля-

следований представлены в табл. 6.

тора на последней стадии очистки для удаления

Из результатов табл. 6 видно, что экстракция

следов воды, кислорода и радиоактивных газооб-

калия практически не зависит от того, использу-

разных примесей (Rn,³⁹Ar,⁸⁵Kr).

ется ли для нее чистая деионизированная вода или

Для точного определения U, Th все процедуры

растворы ДАМДФК и Н₂SО₄ в ней. Хотя следует

очистки и анализа, очевидно, надо проводить в

помнить, что для реэкстракции U и Th растворы

особо чистых комнатах.

ДАМДФК, как было показано ранее [29], являются

более эффективными.

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

7. ФИЛЬТРАЦИЯ НА МИКРОПОРИСТОМ

Основными примесями в ЛАБе, влияющими на

ФИЛЬТРЕ 0.1 МКМ

его прозрачность, являются продукты окисления,

которые эффективно удаляются с помощью хро-

Очевидно, что большое содержание калия в

матографической очистки на Al₂O₃ или вакуумной

ЛАБе (порядка 10-8 г/г) и РРО (порядка 10-6 г/г)

дистилляции. Вакуумная дистилляция позволяет

можно объяснить накоплением калия в них на

удалять также и радиоактивные примеси, в част-

определенных стадиях их производства.

ности, калий. При очистке ЛАБа на Al₂O₃ может

Присутствующие в компонентах сцинтиллятора

происходить загрязнение ЛАБа калием, содержа-

примеси U и Th на уровне 10-12-10-10 г/г с боль-

ние которого в Al₂O₃ составляет 1.6 × 10-5 г/г.

шой вероятностью могут попадать в растворитель

вместе с пылью. Поэтому важно использование

Примесь калия (⁴⁰К) является одним из важных

микропористых фильтров для очистки раствори-

источников радиоактивного фона в экспериментах

телей от пыли. Мы проверили очистку ЛАБа на

по регистрации редких событий в области низких

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022

466

ВЕРЕТЕНКИН и др.

энергий с помощью жидких органических сцинтил-

А. К. Межох, В. П. Моргалюк и др., ЯФ 80, 230

ляционных детекторов. Было показано, что в ком-

(2017) [Phys. At. Nucl. 80, 446 (2017)].

понентах сцинтиллятора содержание калия может

13.

Yu. M. Malyshkin, A. N. Fazliakhmetov,

A. M. Gangapshev, V. N. Gavrin, T. V. Ibragimova,

варьировать в пределах: PPO от 0.8 × 10-6 до 7.1 ×

M. M. Kochkarov, V. V. Kazalov, D. Yu. Kudrin,

× 10-6 г/г, ЛАБ от 1.5 × 10-8 до 2.8 × 10-8 г/г.

V. V. Kuzminov, B. K. Lubsandorzhiev, G. Ya. No-

Было экспериментально продемонстрировано, что

vikova, V. B. Petkov, A. A. Shikhin, A. Yu. Si-

водная экстракция позволяет с высокой эффектив-

dorenkov, N. A. Ushakov, E. P. Veretenkin, et al.,

ностью удалять калий как из ЛАБа, так и из РРО.

Nucl. Instrum. Methods A 951, 162920 (2020).

Поддержано Минобрнауки РФ в рамках про-

14.

V. B. Petkov, A. N. Fazliakhmetov, A. M. Gan-

gapshev, V. N. Gavrin, T. V. Ibragimova,

граммы финансирования крупных научных проек-

M. M. Kochkarov, V. V. Kazalov, D. Yu. Kudrin,

тов национального проекта “Наука”, грант № 075-

V. V. Kuzminov, B. K. Lubsandorzhiev, Yu. M. Ma-

15-2020-778.

lyshkin, G. Ya. Novikova, A. A. Shikhin, A. Yu. Si-

Работа выполнена также при поддержке Ми-

dorenkov, N. A. Ushakov, E. P. Veretenkin,

нистерства науки и высшего образования РФ с

D. M. Voronin, and E. A. Yanovich, in Proceedings

использованием научного оборудования Центра

of the 16th International Conference on Topics

исследования строения молекул ФГБУН “Инсти-

in Astroparticle and Underground Physics, 9-13

тут элементоорганических соединений им. А.Н.

Sept. 2019, Toyama, Japan, J. Phys.: Conf. Ser.

Несмеянова РАН” (ИНЭОС РАН).

1468, 012244 (2020).

15.

J. Benziger, L. Cadonati, F. Calaprice, M. Chen,

A. Corsi, F. Dalnoki-Veress, R. Fernholz, R. Ford,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

C. Galbiati, A. Goretti, E. Harding, Aldo Ianni,

Andrea Ianni, S. Kidner, M. Leung, F. Loeser, et al.,

Borexino Collab. (M. Agostini et al.), Nature 562,

Nucl. Instrum. Methods A 587, 277 (2008).

505 (2018);

16.

J. Bensinger, Int. J. Mod. Phys. A 29, 1442002

https://doi.org/10.1038/s41586-018-0624-y

(2014).

A. Gando et al. (KamLAND Collab.), Phys. Rev. C

17.

J. B. Benziger, M. Johnson, F. P. Calaprice, M. Chen,

92, 055808 (2015);

N. Darnton, R. Loeser, and R. B. Vogelaar, Nucl.

https://doi.org/10.1103/PhysRevC.92.055808

Instrum. Methods A 417, 278 (1998).

Y. Gando and on behalf of the KamLAND-Zen

18.

H. O. Back, M. Balata, A. de Bari, T. Beau,

Collab., J. Phys.: Conf. Ser. 1468, 012142;

A. de Bellefon, G. Bellini, J. Benziger, S. Bonetti,

https://doi.org/10.1088/1742-

A. Brigatti, C. Buck, B. Caccianiga, L. Cadonati,

6596/1468/1/012142

F. Calaprice, G. Cecchet, M. Chen, A. Di Credico,

I. Shimizu, Ann. Geophys. 60, S0113 (2020);

et al., Nucl. Instrum. Methods A 585, 48 (2008).

https://doi.org/10.4401/ag-7388

19.

The JUNO Collab., arXiv:

2103.16900v1

I. Shimizu and M. Chen,

[physics.ins-det].

https://doi.org/10.3389/fphy.2019.00033

20.

L. Bieger, T. Birkenfeld, D. Blum, W. Depnering,

SNO+ Collab. (M. R. Anderson et al.), arXiv:

T. Enqvist, H. Enzmann, F. Gao, C. Genster,

2011.12924v2 [physics.ins-det].

A. Gottel, C. Grewing, M. Gromov, P. Hackspacher,

R. Ford, M. Chen, O. Chkvorets, D. Hallman, and

C. Hagner, T. Heinz, P. Kampmann, M. Karagounis,

E. V ´azque-J ´auregui, AIP Conf. Proc. 1338, 183

et al., arXiv: 2109.10782v2 [physics.ins-det].

(2011);

21.

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

https://doi.org/10.1063/1.3579580

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

H. Th. J. Steiger,https://arxiv.org/abs/2203.14087v2

Препринт № 1382, ИЯИ (Москва, 2014).

Cong Guo, on behalf of JUNO Collab; arXiv:

22.

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

1910.10343v1[physic.ins-det].

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

10.

J. Ye, J. Fang, L. Zhou, W. Hu, W. Liu, Y. Ding,

ров, В. В. Зинченко, И. Ю. Кузнецов, Хим. пром.

M. Liu, B. Yu, X. Sun, L. Sun, Y. Xie, X. Cai, Z. Zhu,

сегодня, № 3, 38 (2018).

and T. Hu, arXiv: 2109.07317v1 [physics.ins-det].

23.

Г. Я. Новикова, М. В. Соловьева, Е. А. Янович, ЯФ

11.

P. Lombardi, M. Montuschi, A. Formozov, A. Brigatti,

83, 76 (2020) [Phys. At. Nucl. 83, 75 (2020)].

S. Parmeggiano, R. Pompilio, W. Depnering,

24.

RENO Collab. (H. S. Kim, S. Y. Kim, J. H. Choi,

S. Franke, R. Gaigher, J. Joutsenvaara, A. Mengucci,

W. Q. Choi, Y. Choi, H. I. Jang, J. S. Jang, K. K. Joo,

E. Meroni, H. Steiger, F. Mantovani, G. Ranucci,

B. R. Kim, J. Y. Kim, S. B. Kim, W. Kim, E. Kwon,

G. Andronico, et al., Nucl. Instrum. Methods A 925,

D. H. Lee, I. T. Lim, M. Y. Pac, et al.), arXiv:

6 (2019).

1609.09483v1 [physics.ins-det].

12.

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

25.

Y. Ding, Z. Zhang, J. Liu, Z. Wang, P. Zhou, and

Ю. М. Гаврилюк, А. М. Гангапшев, В. Ю. Гришина,

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

В. И. Гуренцов, В. П. Заварзина, В. В. Казалов,

26.

NEOS Collab. (Y. J. Ko, B. R. Kim, J. Y. Kim,

С. Д. Крохалева, В. В. Кузьминов, А. С. Курло-

B. Y. Han, C. H. Jang, E. J. Jeon, K. K. Joo, H. J. Kim,

вич, Б. К. Лубсандоржиев, С. Б. Лубсандоржиев,

H. S. Kim, Y. D. Kim, J. Lee, J. Y. Lee, M. H. Lee,

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022

ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

467

Y. M. Oh, H. K. Park, H. S. Park, et al.), Phys. Rev.

29. Г. Я. Новикова, ЭЧАЯ 49, 1360 (2018) [Phys. Part.

Lett. 118, 121802 (2017).

Nucl. 49, 774 (2018)].

27. A. Abramov, A. Chepurnov, A. Etenko, M. Gromov,

30. И. Р. Барабанов, В. П. Моргалюк, Е. А. Яно-

A. Konstantinov, D. Kuznetsov, E. Litvinovich,

G. Lukyanchenko, I. Machulin, A. Murchenko,

вич, Г. Я. Новикова, Радиохимия 58, 535 (2016)

A. Nemeryuk, R. Nugmanov, B. Obinyakov,

[Radiochemistry 58, 625 (2016)].

A. Oralbaev, A. Rastimeshin, M. Skorokhvatov,

et al., arXiv: 2112.09372 [physics.ins-det];

31. А. Э. Федоров, Е. И. Черкасова, Вестн. технол. ун-

https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.09372

та 19, 60 (2016).

28. И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, А. В. Вересни-

32. T. Goldbruner, F. V. Feilitzsch, R. V. Hentig, and

кова, В. И. Гуренцов, В. П. Моргалюк, Г. Я. Но-

J. Jochum, J. Radioanal. Nucl. Chem. 216, 293

викова, Е. А. Янович, Радиохимия 58, 49 (2016)

[Radiochemistry 58, 52 (2016)].

(1997).

LIQUID ORGANIC SCINTILLATORS FOR REGISTRATION

OF RARE EVENTS, METHODS OF PURIFICATION FROM U, Th AND K

E. P. Veretenkin¹⁾, V. N. Gavrin¹⁾, B. A. Komarov¹⁾, Yu. P. Kozlova¹⁾, A. D. Lukanov¹⁾,

V. P. Morgalyuk²⁾, A. M. Nemeryuk³⁾, G. Ya. Novikova¹⁾

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

²⁾A.N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences,

Moscow, Russia

³⁾NRC “Kurchatov Institute” — IREA, Moscow, Russia

We discuss the developments of liquid organic scintillators from the point of view of the level of radioactive

impurities in detectors for registering rare events. The results of studies of various methods of purification of

individual components of the scintillator from U, Th, and K are presented.It is shownthat the main sourceof

potassium contamination (⁴⁰K) is the scintillation additive PPO (2,5-diphenyloxazole), the concentration

of K in which can vary in the range from 0.8 to 7.1 μg/g. In linear alkylbenzene (LAB, Russia), which

is considered as a promising solvent for creating a large-scale neutrino detector, the measured potassium

concentration was ∼10-8 g/g.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№6

2022