ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2023, том 86, № 6, с. 742-751
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ
CЦИНТИЛЛЯТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РЕДКИХ СОБЫТИЙ.
СВЕТОВЫХОД ПРИ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАЛЛА
© 2023 г. И. Р. Барабанов1),2), А. В. Вересникова1),2),
З. Ю. Исупова2), Б. В. Локшин3), В. П. Моргалюк3), А. М. Немерюк4),
Г. Я. Новикова1),2)*, С. А. Эльчепарова2), Е. А. Янович1),2)
Поступила в редакцию 21.06.2023 г.; после доработки 21.06.2023 г.; принята к публикации 22.06.2023 г.
Обсуждаются металлсодержащие жидкие органические сцинтилляторы (МеLS) с точки зрения свето-
выхода при высокой загрузке по металлу (Gd, Nd, Zr, In). Показано, что при введении в сцинтиллятор
β-дикетонатов металлов его световыход всегда оказывается ниже, чем при использовании их карбок-
силатов, что объясняется структурным различием этих комплексов. Природа металла в некоторых
случаях (Nd) влияет на длину ослабления света и, как следствие, на число собранных фотонов. Состав
растворителя (доля ароматических соединений в основном растворителе) и степень очистки вводимого
комплекса металла также оказывают существенное влияние на конечный световыход.
DOI: 10.31857/S0044002723060132, EDN: ORXCKS
1. ВВЕДЕНИЕ
нейтрона, чем кадмий, использованный в первом
антинейтринном детекторе [1]. Введение гадолиния
Элементсодержащие сцинтилляторы и, в част-
в LS имеет свою историю, связанную, на наш
ности металлсодержащие (MeLS) широко приме-
взгляд, с тем, что первоначально химическим
няются в области нейтринной физики, начиная с
аспектам создания MeLS уделялось недостаточное
первых экспериментов по регистрации антинейтри-
внимание. Так, в одном из первых экспериментов
но с использованием кадмийсодержащего сцин-
по изучению осцилляций реакторных антинейтрино
тиллятора CdLS [1] и кончая экспериментами по
для введения в сцинтиллятор использовалась
поиску двойного безнейтринного β-распада, где в
неорганическая соль гадолиния Gd(NO3)3, что
LS предложено вводить такие элементы, как96Zr
в итоге привело к быстрой деградации GdLS в
[2, 3],150Nd [4-7], а также проектом по регистрации
течение четырех месяцев (эксперимент CHOOZ
низкоэнергетичных солнечных нейтрино, в котором
[10]). В последующих аналогичных эксперимен-
в качестве мишени рассматривается изотоп115In,
тах использовались более устойчивые и хорошо
имеющий высокое сечение и хорошую сигнатуру
растворимые в органических растворителях β-
реакции с нейтрино [8, 9]. При этом введение в LS
дикетонаты и карбоксилаты гадолиния, которые
каждого нового элемента имеет свои особенности и
хорошо показали себя в экспериментах Double
свои трудности.
Chooz [11], RENO [12], Daya Bay [13], NEOS [14],
и продолжают применяться в настоящее время в
Большой опыт по созданию и применению
детекторах дистанционного мониторинга работы
MeLS накоплен при решении задач регистрации
ядерного реактора [15] а также при проверке
реакторных антинейтрино. В этом случае наи-
гипотезы “стерильных нейтрино” STEREO [16],
более подходящим для введения в LS оказался
Neutrino-4 [17].
Gd, который благодаря своим изотопам (157Gd,
Также следует отметить, что в случае примене-
155Gd) имеет более высокое сечение захвата
ния GdLS для регистрации реакторных антиней-
трино достаточно небольшой концентрации Gd 1-
1)Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия.
2)Кабардино-Балкарский государственный университет
2 г/л в сцинтилляторе, и в этом случае не имеет
им. Х. М. Бербекова, Нальчик, Россия.
большого значения, в виде какого соединения вво-
3)Институт элементоорганических соединений РАН
дится гадолиний (карбоксилат или β-дикетонат).
им. А. Н. Несмеянова, Москва, Россия.
Стабильность характеристик сцинтиллятора
4)НИЦ “Курчатовский институт”— ИРЕА, Москва, Рос-
сия.
прежде всего будет зависеть от химической чисто-
*E-mail: g-novikova@mail.ru
ты всех компонентов MeLS. Так, в экспериментах
742
МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ CЦИНТИЛЛЯТОРЫ
743
Таблица 1. Световыход сцинтилляторов с введенными β-дикетонатами металлов
β-дикетонаты металлов
Растворитель
CМе, г/л
Fluors, г/л
C, г/л
LY, %
In(AA)3
Анизол
47
ВРО∗
100
51 [21]
РРО
100
19 [21]
РРО + bis-MSB∗∗
100 + 0.5
35 [21]
Zr(i-Prac)4
Анизол
13.6
PPO
50
48.7 [2]
Zr(DPM)4
РС
5
ВРО
9
36 [3]
Nd·(hfa)3·dme·0.25H2O
РС
6
ВРО
2
17 [5]
Nd·(hfa)3·diglyme
РС
4.5
ВРО
2
29 [5]
∗ ВРО: 2-фенил-5,4-бифенил-оксазол.
∗∗ bis-MSB: 1,4-bis(2-метилстирил)бензол.
RENO [13] и Daya Bay [18] (в обоих случаях был
и β-дикетоны относятся к органическим соеди-
использован
3,5,5-триметилгексаноат гадолиния
нениям, их соли являются предметом изучения
(Gd(TMHA)3) и один и тот же растворитель —
неорганической и по традиции элементоорганиче-
линейный алкилбензол (ЛАБ)) меньшая скорость
ской химии, так как в них связь иона металла
с органическими анионами осуществляется через
деградации наблюдалась в Daya Bay, где большее
внимание уделялось очистке всех компонентов
кислород, как и в случае кислородсодержащих
сцинтиллятора (дистилляция растворителя и ис-
неорганических кислот. В истинных металлоорга-
пользуемой для синтеза карбоновой кислоты, пе-
нических соединениях имеется непосредственная
связь металла с углеродом органического остатка
рекристаллизация 2,5-дифенилоксазола (РРО)).
и такие соединения, как правило, неустойчивы и
Хочется отметить также, что, как выяснилось [19],
карбоксилаты гадолиния являются катализатора-
высокореакционно- способны).
ми окисления алкилбензолов кислородом воздуха.
Достоинством β-дикетонатов металлов являет-
Поэтому особенно важна очистка растворителей
ся их высокая стабильность за счет хелатного эф-
от кислорода и первичных продуктов окисления
фекта, что делает возможным очистку путем воз-
ЛАБа; очевидно также, что для длительных
гонки при сравнительно невысоких температурах.
экспериментов предпочтительнее использовать в
Это их свойство прекрасно подходит для их очист-
качестве растворителей смесь, в которой алкил-
ки от аналогичных соединений U и Th, температура
бензолы составляют лишь небольшую часть, а
возгонки которых (вследствие большей молярной
основными растворителями являются предельные
массы) значительно выше, что особенно важно для
углеводороды: додекан, МО (Минеральное масло),
создания низкофоновых сцинтилляторов, необхо-
синтин [20], менее склонные к окислению.
димых для регистрации редких событий.
Для регистрации редких событий (двойной без-
Однако при сравнении световыхода сцинтил-
нейтринный β-распад, солнечные нейтрино) с ис-
ляторов с введенными в них β-дикетонатами (см.
пользованием MeLS, чтобы иметь достаточно ком-
пактный детектор, необходимо добиваться макси-
табл. 1), видно, что при больших концентрациях
мально возможной концентрации элемента в ор-
по металлу для получения высокого световыхода
ганическом растворителе. В этом случае высокий
требуется вводить сцинтилляционные добавки в
очень высоких концентрациях.
световыход сцинтиллятора будет в значительной
мере определяться структурой выбранного соеди-
Одно из объяснений этому явлению можно най-
нения металла, степени его очистки и растворителя.
ти при сравнении УФ-спектров поглощения ком-
плексов β-дикетонатов со спектрами поглощения
сцинтилляционных добавок. β-дикетонаты метал-
2. ЗАВИСИМОСТЬ СВЕТОВЫХОДА
лов имеют очень высокие коэффициенты экстинк-
ОТ СТРУКТУРЫ СОЕДИНЕНИЯ
ции, при этом максимумы их поглощения близки
Практика показывает, что для введения в сцин-
или совпадают с максимумами поглощения наибо-
тиллятор металлов (Gd, Nd, Zr, In) наиболее под-
лее распространенных сцинтилляционных добавок.
ходящими оказались их соединения с разветв-
На рис. 1-3 представлены УФ-спектры погло-
ленными карбоновыми кислотами и β-дикетонами.
щения 2,5-дифенилоксазола (РРО) (рис. 1) и β-
(Несмотря на то, что сами карбоновые кислоты
дикетонатов Nd (рис. 2), и Zr (рис. 3) в гексане.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
744
БАРАБАНОВ и др.
Коэффициент экстинкции, л/моль см
40 000
35 000
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5000
0
5000
200
250
300
350
400
450
500
Длина волны, нм
Рис. 1. УФ-спектр 2,5-дифенилоксазола (РРО) в гексане.
Коэффициент экстинкции, л/моль см
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5000
0
200
250
300
350
400
450
500
Длина волны, нм
Рис. 2. УФ-спектр трис(1,1,1,5,5,5-гексафтор-2,4-пентандионато)(1,2-диметоксиэтан) неодима (III) (Nd(hfa)3·dme) в
гексане.
Максимум поглощения РРО находится при
поглощения при 285 нм. При той же длине волны
303
нм с коэффициентом экстинкции
37500
находится максимум поглощения ацетилацетоната
(рис. 1). У комплекса Nd (гексафторацетилаце-
индия [21] с коэффициентом экстинкции 14 000.
тонат с добавкой dme, Nd(hfa)3·dme) (рис.
2)
В то же время значения коэффициентов экстинк-
максимум поглощения также находится при 303 нм,
ции карбоксилатов металлов примерно на три
а коэффициент экстинкции равен 28 000. У β-дике-
порядка меньше, чем у β-дикетонатов, а их макси-
тоната Zr (дипивалоилметанат Zr) (рис. 3) коэф-
мумы поглощения сдвинуты в УФ-область (так, у
фициент экстинкции также 28 000 с максимумом
3,5,5-триметилгексаноата неодима (Nd(TMHA)3),
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ CЦИНТИЛЛЯТОРЫ
745
Коэффициент экстинкции, л/моль см
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5000
0
200
250
300
350
400
450
500
Длина волны, нм
Рис. 3. УФ-спектр тетракис(2,2,6,6-тетраметил-3,5-гептандионато) циркония (IV) (дипивалоилметанат циркония),
Zr(ДПМ)3 в гексане.
коэффициент экстинкции составляет всего 26 в
редается металлу, высвечивающему ее затем в той
максимуме поглощения при 268 нм [22]).
или иной области. Но, как правило, высвечивание
На первый взгляд можно предположить, что β-
происходит не при тех длинах волн, где наиболее
дикетонаты конкурируют со сцинтилляционными
чувствительны современные ФЭУ, а самое глав-
добавками за перехват света от растворителя, но
ное, что этот эффект не проявляется в растворах.
попытки использовать другие растворители и дру-
Однако авторы полагают, что следует выполнить
гие сцинтилляционные добавки, спектр испускания
синтетический поиск подобных люминесцентных
которых не перекрывается со спектром поглоще-
материалов с нужными элементами и свойства-
ния β-дикетонатов, не привели к значительному
ми, подходящими для их использования в области
увеличению световыхода [21, 23].
ядерной физики.
Очевидно, что причина гашения света β-
дикетонатными комплексами металлов кроется
3. ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ МЕТАЛЛА
в самой их природе, а именно в структуре их
НА СВЕТОВЫХОД
молекул, возникающих при образовании прочного
В разд. 2 при рассмотрении β-дикетонатных
шестичленного хелата, в котором ион металла
комплексов было показано, что природа металла
через связи с атомами кислорода β-дикетонатного
и лиганда мало влияет на поглощение света этими
остатка встроен в систему сопряженных связей,
комплексами.
подобную бензолу (в отличие от карбоновых
Но природа металла все же может оказывать
кислот, где оба кислорода связаны только с одним
существенное влияние на длину ослабления света
атомом углерода). В итоге возникает такая же
(наличие линий поглощения у иона металла) и,
устойчивая шестичленная структура, как и в случае
как следствие, на характеристики сцинтилляци-
ароматических углеводородов (только эта структу-
онного детектора. Так, при измерениях спектров
ра будет гетероатомная). Поэтому β-дикетонатные
поглощения карбоксилатов неодима и гадолиния
комплексы могут поглощать энергию возбуждения
наблюдается существенное отличие в их спектрах.
так же хорошо, как и ароматические молекулы, но в
На рис. 4 показаны УФ-спектры поглощения
отличие от последних не переизлучают эту энергию
3,5,5-триметилгексаноатов неодима (Nd(TMHA)3)
далее в виде фотонов, а “гасят” ее внутри своего
и гадолиния (Gd(TMHA)3) при одной и той же
комплекса.
концентрации (C = 0.005 моль/л) в ЛАБ (Измере-
На настоящее время опубликовано много ра-
ния проводились в 10 см-кюветах по отношению к
бот, где β-дикетонатные комплексы металлов ис-
пользуются для получения люминесцентных ма-
кювете с воздухом).
териалов, в которых энергия, поглощенная ли-
Из рис. 4 видно, что, несмотря на то, что оба эти
гандным окружением комплексообразователя, пе-
металла относятся к f-элементам, их УФ-спектры
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
746
БАРАБАНОВ и др.
Поглощение
0.3
0.2
0.1
2
0
1
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
Длина волны, нм
Рис. 4. УФ-спектры поглощения 0.005M растворов 3,5,5
триметилгексаноата неодима (Nd(TMHA)3) (кривая 1) и
гадолиния (Gd(TMHA)3) (кривая 2) в растворителе ЛАБ.
различаются. В отличие от спектра Gd(TMHA)3 в
(ТГФ), в котором он хорошо растворим. Далее рас-
спектре Nd(TMHA)3 зарегистрировано много по-
твор Gd(TMHA)3 в ТГФ пропускался через мик-
лос поглощения в УФ и видимой области спектра.
ропористый фильтр (для отделения нерастворимых
Эти полосы поглощения относятся к иону неодима
продуктов гидролиза), после чего смешивался с
и будут проявляться во всех спектрах, независимо
ЛАБ с последующей отгонкой ТГФ в вакууме при
от типа соединения неодима и растворителя. По-
невысокой температуре.
лосы поглощения неодима находятся в том числе в
Однако при адаптации этой методики к со-
области наибольшей чувствительности ФЭУ (420-
зданию NdLS оказалось, что в этом случае ТГФ
430 нм), поэтому для определения длины ослабле-
в качестве промежуточного растворителя для
ния света NdLS практически нельзя использовать
очистки Nd(TMHA)3 не подходит. В отличие от
спектрофотометрический способ, который обычно
Gd(TMHA)3 аналогично полученный комплекс
применялся для оценки прозрачности новых рас-
Nd(TMHA)3 не растворяется в ТГФ, а ведет себя
творителей [20, 24] или таких сцинтилляторов, как
совершенно по-другому. При добавлении ТГФ к
GdLS [25] и InLS [21] .
Nd(TMHA)3 сразу же образуется мелкодисперс-
ный осадок, который распространяется по всему
Поэтому для NdLS больше подходит способ
объему ТГФ. Nd(TMHA)3 растворяется только в
определения эффективной длины ослабления све-
горячем ТГФ, но при охлаждении осадок выпадает
та, использованный в работе [6].
вновь (в этом также сказывается отличие природы
элемента Nd от Gd, объяснение этому пока не
найдено).
4. СИНТЕЗ 3,5,5-ТРИМЕТИЛГЕКСАНОАТА
НЕОДИМА (Nd(TMHA)3)
Поэтому для создания NdLS в качестве про-
межуточного растворителя был использован ди-
Природа металла оказывает также влияние
этиловый эфир, в котором Nd(TMHA)3 хорошо
на выбор способа получения его карбоксилата.
растворяется.
Так, для получения GdLS в проектах iDREAM
Оба соединения (3,5,5-триметилгексаноаты га-
[15] и Нейтрино-4 [17] применялась методика,
долиния и неодима) растворимы также в углеводо-
разработанная в ИРЕА-Курчатовский центр.
родах, алифатических или ароматических, однако
По этой методике синтезированный, промытый
для очистки значительных количеств предпочти-
деионизированной водой и высушенный
3,5,5-
тельнее использовать в качестве растворителей
триметилгексаноат гадолиния (Gd(TMHA)3) очи-
простые эфиры, так как в них могут быть получе-
щали при помощи промежуточного растворения
ны растворы высокой концентрации, вязкость ко-
в низкокипящем растворителе тетрагидрофуране
торых позволяет осуществлять фильтрование при
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ CЦИНТИЛЛЯТОРЫ
747
Таблица 2. Световыход сцинтиллятора (LY) в зависи-
НПВО подвергнуты коррекции с использованием
мости от растворителя
программы OPUS 7 для учета зависимости глуби-
ны проникновения излучения в образец от длины
волны.
РРО, Bis-MSB, LY,
Растворитель
г/л
г/л
%
ИК-спектры, полученные для всех четырех
исследованных образцов, оказались практически
ЛАБ
5
0.04
100
идентичными. Поэтому на рис. 5 приводится только
РС
5
0.04
133
один ИК-спектр для образца, полученного по
методике ИРЕА, трижды промытого деионизиро-
Din
5
0.04
138
ванной водой и высушенного в вакуумном шкафу
ЛАБ + Din (10%)
5
0.04
108
над КОН.
ЛАБ + нафталин (10%)
5
0.04
95
ИК-спектр, представленный на рис. 5, содержит
характеристичные полосы поглощения всех групп,
Синтин (С13Н28-С18Н38)
5
0.04
46
входящих в состав Nd(TMHA)3. Наиболее харак-
Синтин + нафталин (10%)
5
0.04
76
терными для солей карбоновых кислот являются
полосы поглощения, соответствующие асиммет-
ричным и симметричным колебаниям депротони-
значениях избыточного давления, не превышаю-
рованной карбоксильной группы в области 1650-
щих 2-4 атм, тогда как растворы в углеводородах
1510 см-1 и 1440-1370 см-1 соответственно [27]
отличаются высокой вязкостью даже при невысо-
(в нашем случае это 1534 см-1 и 1406 см-1).
ком содержании карбоксилатов.
Как известно
[27], значение разности ча-
Методика, разработанная для получения GdLS
стот асимметричного и симметричного колебаний
в лабораторных условиях [26], подошла и для полу-
карбоксильной группы -ОCO- может служить
чения NdLS практически без всяких изменений. По
для определения возможного способа ее коор-
этой методике синтез Nd(TMHA)3 осуществлялся
динации с металлом-комплексообразователем в
при мольном соотношении Nd и карбоновой кис-
комплексном соединении. Если значение разности
лоты, равном 1 : 4, а Nd и аммиака — равном 1 : 3
меньше 220 см-1, то карбоксильная группа коор-
(избыток кислоты в 1 моль по отношению к стехио-
динируется бидентатно, если больше — моноден-
метрическому брался для поддержания значений
татно. В нашем случае разность равна 128, и мы
рН, близких к 7, что важно для высокого выхода).
имеем бидентатную координацию карбоксильной
После синтеза Nd(TMHA)3 трижды промывался
группы.
деионизированной водой, а затем промывался еще
Кроме того, на ИК-спектре отсутствуют поло-
спиртом и ацетоном для удаления воды. Просу-
сы поглощения в области 3000-3600 см-1, что
шенная соль затем растворялась в основном рас-
указывает на отсутствие в нем следов воды, что
творителе и на конечном этапе пропускалась через
очень важно для использования этой соли при
микропористый фильтр с диаметром пор 0.05 мкр.
создании NdLS.
В силу высокой парамагнитности катиона Nd3+
зарегистрировать спектры1Н ЯМР Nd(TMHA)3
не удалось. Поэтому для анализа образцов
5. ЗАВИСИМОСТЬ СВЕТОВЫХОДА
Nd(TMHA)3 использовался метод ИК-спектро-
ОТ РАСТВОРИТЕЛЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ
скопии. Были проанализированы образцы, полу-
ВВЕДЕННОГО МЕТАЛЛА
ченные по обеим методикам, трижды промытые
Ранее [20] авторы показали, что существует
водой и высушенные в вакуумном сушильном шка-
некоторая корреляция между мольной концентра-
фу над кристаллическим КОН. А также образец,
цией ароматических соединений в растворителе
полученный и высушенный по методике ИРЕА, а
и световыходом сцинтиллятора при постоянной
потом перекристаллизованный из горячего ТГФ,
концентрации сцинтилляционных добавок. Было
и образец, полученный по методике ИЯИ РАН,
показано также, что световыход предельных уг-
трижды промытый водой, спиртом и ацетоном и
леводородов (в частности, синтина) может быть
высушенный аналогичным способом.
увеличен при добавлении в него ароматических
ИК-спектры измерены на ИК-Фурье спектро-
углеводородов. В предлагаемой работе такие ис-
метре VERTEX 70v методом нарушенного полного
следования были продолжены. Показано (рис. 6),
внутреннего отражения (НПВО) с использовани-
что световыход синтина зависит от его объемной
ем адаптера Pike Glady ATR на базе кристалла
доли в смеси с ЛАБ. Световыход сцинтиллятора
алмаза в диапазоне 4000-400 см-1. Спектры об-
измерялся с помощью радиоактивного источника
разцов измерены непосредственно от порошка без
137Cs по методике, описанной ранее [7]. Рассчиты-
предварительной подготовки. Измеренные спектры
валась относительная величина световыхода, т.е.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
748
БАРАБАНОВ и др.
Поглощение
0.8
0.6
0.4
0.2
0
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Волновое число, см1
Рис. 5. ИК-спектр Nd(TMHA)3, синтезированного по методике ИРЕА, после трехкратной промывки деионизированной
водой и просушки в вакуумном сушильном шкафу над КОН.
процентное отношение световыхода сцинтиллятора
Кроме того, было показано, что влияние карбок-
с введенным соединением к световыходу сцинтил-
силата неодима на световыход сцинтиллятора так-
лятора с чистым растворителем при одинаковой
же зависит от выбора растворителя.
концентрации сцинтилляционной добавки.
На рис. 7 показана зависимость световыхода
от концентрации Nd (в виде Nd(TMHA)3) в сцин-
Из рис. 6 следует, что хороший световыход 80%
тилляторе на основе ЛАБ. На рис. 8 такая же
достигается в смеси синтин-ЛАБ, содержащей
зависимость показана при использовании в ка-
60% синтина и 40% ЛАБа (по объему). Также
честве растворителя псевдокумола. При этом на
было показано, что близкий световыход в синтине
рис. 8 верхняя кривая относится к просушенной
(76%) может быть достигнут при растворении в нем
соли Nd(TMHA)3, а нижняя — к непросушенной.
10 массовых % нафталина (см. табл. 2).
Оказалось, что световыход MeLS зависит также от
способа ввода соли Nd в сцинтиллятор: растворе-
Из табл. 2 видно, что псевдокумол (РС) и диизо-
нием твердой высушенной соли или растворением
пропилнафталин (Din) имеют более высокий све-
соли, только промытой водой (Daya Bay [13]), или
товыход по сравнению с чистым ЛАБ, световыход
введенной в сцинтиллятор методом экстракции,
которого принят за 100%. Но при добавлении Din
как это было сделано, например, в экспериментах
(10% по объему) световыход ЛАБ увеличивается
RENO [12], NEOS [14].
ненамного. При добавлении нафталина световыход
Из сравнения рис. 7 и 8 (верхняя кривая) видно,
ЛАБ практически не изменяется (в пределах ошиб-
что световыход сцинтиллятора при введении про-
ки измерения 5%). Однако при добавлении нафта-
сушенного Nd(TMHA)3 выше в случае использо-
лина к синтину (смеси предельных углеводородов
вания в качестве растворителя псевдокумола по
линейного строения) его световыход увеличивается
сравнению с использованием ЛАБ. Для NdLS с
на 65%, но не достигает значения световыхода
содержанием неодима 6 г/л в случае ЛАБ свето-
сцинтиллятора на основе чистого ЛАБ.
выход равен 70%, а при использовании псевдоку-
Таким образом, сочетание предельных углево-
мола — 90%.
дородов с нафталином имеет смысл только с точ-
При сравнении световыхода сцинтиллятора с
ки зрения стабильности MeLS при длительном
просушенной и непросушенной солью (рис. 8) вид-
использовании сцинтилляционного детектора, так
но, что при введении в сцинтиллятор высушенной
как предельные углеводороды практически не под-
соли его световыход выше, чем при использовании
вержены процессам окисления при нормальных
соли, растворенной в псевдокумоле сразу же по-
условиях.
сле промывки (водой, спиртом и ацетоном). При
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ CЦИНТИЛЛЯТОРЫ
749
Световыход (отн. ЛАБ), %
100
90
80
70
60
50
4010
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Объемная доля синтина в ЛАБе, %
Рис. 6. Зависимость световыхода от объемной доли синтина в ЛАБ.
Световыход, % (отн. ЛАБ)
100
90
80
70
60
50
40
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Концентрация Nd, г/л
Рис. 7. Зависимость световыхода от концентрации Nd в сцинтилляторе на основе ЛАБ. Соединение— Nd(TMHA)3.
высоком содержании Nd (C = 33 г/л) в случае
сцинтилляторах независимо от природы металла,
использования просушенного Nd(TMHA)3 свето-
входящего в их состав.
выход равен 61%, а в случае непросушенного —
Однако природа металла все же имеет значение.
всего 28%.
Несмотря на то что Nd и Gd относятся к одному
семейству f-элементов, их спектральные свойства
различаются. Наличие собственных полос погло-
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
щения у иона неодима в УФ и видимой области
Таким образом, авторы показали, что по срав-
ведет к дополнительному поглощению света, что
нению с карбоксилатами β-дикетонаты металлов
сказывается на длине ослабления света и, как
демонстрируют более сильное гашение света в
следствие, на числе собранных фотонов.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
750
БАРАБАНОВ и др.
Световыход (отн. PC), %
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Концентрация Nd, г/л
Рис. 8. Зависимость световыхода от концентрации Nd в сцинтилляторе на основе псевдокумола. Верхняя кривая —
соль Nd(TMHA)3, просушенная под вакуумом над КОН, нижняя кривая — соль Nd(TMHA)3, растворенная сразу после
промывки.
Световыход сцинтиллятора (как не содержа-
3.
L. B. Bezrukov, G. Ya. Novikova, E. A. Yanovich,
щего металл, так и в форме MeLS) в большой
B. V. Lokshin, V. P. Morgalyuk, A. I. Kostylev, and
мере зависит от выбора растворителя (в частности,
N. A. Korsakova, Russ. J. Inorg. Chem. 66, 421
от концентрации ароматичных углеводородов в его
(2021);
составе). Световыход NdLS (при введении Nd в
форме Nd(TMHA)3) выше при использовании в
4.
I. R. Barabanov, L. B. Bezrukov, A. V. Veresnikova,
Yu. M. Gavriluk, V. I. Gurentsov, V. V. Kazalov,
качестве основного растворителя псевдокумола по
V. V. Kuzminov, G. Ya. Novikova, S. V. Semenov,
сравнению с ЛАБ.
V. V. Sinev, G. O. Tsvetkov, and E. A. Yanovich, Phys.
Также световыход MeLS зависит от способа
Part. Nucl. 82, 89 (2019);
введения элементсодержащего соединения в сцин-
тиллятор (в виде твердой высушенной соли, в виде
5.
L. B. Bezrukov, G. Ya. Novikova, E. A. Yanovich,
непросушенной или способом экстракции). Боль-
A. I. Kostylev, N. A. Korsakova, E. K. Legin,
ший световыход получается при использовании
A. E. Miroslavov, M. D. Karavan, B. V. Lokshin, and
твердого просушенного карбоксилата металла.
V. P. Morgalyuk, Russ. J. Inorg. Chem. 63, 1564
(2018);
Работа выполнена в рамках государственного
задания Министерства науки и высшего образова-
6.
I. R. Barabanov, L. B. Bezrukov, G. Ya. Novikova, and
ния РФ, проект FZZR-2022-0004.
E. A. Yanovich, Phys. Part. Nucl. Lett. 15, 630 (2018).
В работе использовано научное оборудо-
7.
I. R. Barabanov, L. B. Bezrukov, G. Ya. Novikova, and
вание Центра исследования строения молекул
E. A. Yanovich, Instrum. Exp. Tech. 60, 533 (2017);
ФГБУН “Институт элементоорганических соеди-
нений им. А. Н. Несмеянова РАН” (ИНЭОС РАН).
8.
Z. Chang, J. Benziger, A. Garnov, C. Grieb,
R. L. Hahn, R. S. Raghavan, and M. Yeh, Nucl. Phys.
B 221, 337 (2011);
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. F. Reines and C. L. Cowan, Jr., Phys. Rev. 90, 492
9.
I. R. Barabanov, L. B. Bezrukov, V. I. Guren-
(1953); 92, 830 (1953).
tsov, G. Ya. Novikova, V. V. Sinev, and
2. Y. Fucuda, S. Moriyama, K. Hiraide, I. Ogawa,
E. A. Yanovich, Phys. At. Nucl. 85, 402 (2022);
T. Gunji, R. Hayami, S. Tsukadaw, and S. Kurosawa,
J. Phys.: Conf. Ser. 1468, 012139 (2020);
10.
M. Apollonio, A. Baldini, and C. Bemporad, Phys.
Lett. B 420, 397 (1998);
6596/1468/1/012139
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ ЖИДКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ CЦИНТИЛЛЯТОРЫ
751
11.
C. Aberle, C. Buck, B. Gramish, F. X. Hartmann,
19. G. Ya. Novikova, M. V. Solovyova, and E. A. Yano-
M. Lindner, S. Sch ¨onert, U. Schwan, S. Wagner, and
vich, Phys. At. Nucl. 83, 75 (2020);
H. Watanabe, JINST 7, 06008 (2012);
20. И. Р. Барабанов, А. В. Вересникова, А. А. Моисее-
12.
H. S. Kim et al. (RENO Collab.), Part. Phys. Pros.
ва, В. П. Моргалюк, Г. Я. Новикова, Е. А. Янович,
265, 93 (2015).
ЯФ 86, 310 (2023);
13.
S. H. Kim et al. (RENO Collab.), arXiv:
1609.09483v1 [physics.ins-det].
14.
Y. J. Ko et al. (NEOS Collab.), Phys. Rev. Lett. 118,
21. C. Buck, F. X. Hartmann, T. Lasserre, D. Motta,
121802 (2017).
S. Schonert, and U. Schwan, J. Lumin. 106, 57
15.
A. Abramov, A. Chepurnov, A. Etenko, M. Gromov,
(2004);
A. Konstantinov, D. Kuznetsov, E. Litvinovich,
G. Lukyanchenko, I. Machulin, A. Murchenko,
22. G. Ya. Novikova, V. P. Morgalyuk, and E. A. Yanovich,
A. Nemeryuk, R. Nugmanov, B. Obinyakov,
Russ. J. Inorg. Chem. 66, 1161 (2021);
A. Oralbaev, A. Rastimeshin, M. Skorokhvatov,
et al., arXiv: 2112.09372 [physics.ins-det];
23. Y. Fukuda, S. Moriyama, and I. Ogawa, Nucl.
16.
H. Almaz ´an et al. (STEREO Collab.), Phys. Rev. D
Instrum. Methods A 732, 397 (2013);
102, 052002 (2020);
24. Л. Б. Безруков, Н. И. Бакулина, Н. С. Иконников,
17.
А. П. Серебров, В. Г. Ивочкин, Р. М. Самойлов,
В. П. Моргалюк, Г. Я. Новикова, А. С. Чепурнов,
А. К. Фомин, В. Г. Зиновьев, С. С. Волков,
Препринт ИЯИ РАН 1382/2014 (апрель 2014).
В. Л. Головцов, Н. В. Грузинский, П. В. Неустоев,
В. В. Федоров, И. В. Паршин, А. А. Герасимов,
25. G. Ya. Novikova, N. I. Bakulina, and V. P. Morgalyuk,
М. Е. Зайцев, М. Е. Чайковский, А. М. Гагарский,
Russ. J. Inorg. Chem. 59, 389 (2014);
А. Л. Петлин и др., ЖТФ 93, 175 (2023);
26. Г. Я. Новикова, Н. И. Бакулина, А. В. Вологжанина,
22
Б. В. Локшин, В. П. Моргалюк, ЖНХ 61, 270
18.
W. Beriguete, J. Cao, Y. Ding, S. Hans, K. M. Heeger,
(2016) [Russ. J. Inorg. Chem. 61, 257 (2016)];
L. Hu, A. Huang, K.-B. Luk, I. Nemchenok, M. Qi,
R. Rosero, H. Sun, R. Wang, Y. Wang, L. Wen,
Y. Yang, et al., Nucl. Instrum. Methods A 763, 82
27. К. Накамото, Инфракрасные спектры неорга-
(2014);
нических и координационных соединений (Мир,
Москва, 1991).
METAL-LOADING LIQUID ORGANIC SCINTILLATORS FOR RECORDING
RARE EVENTS. LIGHT YIELD AT HIGH METAL CONCENTRATION
I. R. Barabanov1),2), A. V. Veresnikova1),2), Z. Yi. Isupova2), B. V. Lokshin3), V. P. Morgalyuk3),
A. M. Nemeryuk4), G. Ya. Novikova1),2), S. A. Elcheparova2), E. A. Yanovich1),2)
1)Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
2)Kabardino-Balkarian State University named after H. M. Berbekov, Nalchik, Russia
3)A. N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of the Russian Academy of Sciences,
Moscow, Russia
4)NRC "Kurchatov Institute” — IREA, Moscow, Russia
Metal-loading liquid organic scintillators (MeLS) are discussed from the point of view of light output at
high metal loading (Gd, Nd, Zr, In). It has been shown that when metal beta-diketonates are introduced
into the scintillator, its light output is always lower than when carboxylates are used, which is explained by
the structural difference between these complexes. The nature of the metal in some cases (Nd) also affects
the light attenuation length and, consequently, the MeLS light output. The composition of the solvent (the
fraction of aromatics in the main solvent) and the degree of purification of the introduced metal complex
also have a significant effect on the light output.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86
№6
2023
