1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 5, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 5, стр. 622-626

Литийсодержащие пластмассовые сцинтилляторы для регистрации тепловых нейтронов

И. Б. Немченок 1, 2, *, И. И. Камнев 1, Е. А. Шевчик 1, И. А. Суслов 1, 2

1 Международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований
Дубна, Россия

2 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области “Университет “Дубна”
Дубна, Россия

* E-mail: nemch@jinr.ru

Поступила в редакцию 20.11.2020
После доработки 28.12.2020
Принята к публикации 27.01.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Описаны результаты исследований по разработке нового литийсодержащего пластмассового сцинтиллятора на основе сополимера стирола и метакриловой кислоты. Измерения световыхода и прозрачности образцов нового материала позволили установить оптимальные концентрации сцинтилляционной добавки, сместителя спектра, вторичного растворителя и литийсодержащей добавки.

ВВЕДЕНИЕ

Пластмассовые сцинтилляторы (ПС) находят широкое применение для регистрации ядерных излучений, благодаря их невысокой стоимости, быстродействию, нетоксичности, легкости механической обработки и простоты масштабирования при изготовлении, высокой устойчивости к воздействиям окружающей среды. Значительное внимание к себе привлекают ПС, содержащие элементы, имеющие изотопы с высоким сечением захвата тепловых нейтронов. К ним относятся бор- [1–6], гадолиний- [7–10], кадмий- [10, 11] и литийсодержащие [12–21] материалы. Каждый из этих элементов имеет определенные преимущества и недостатки, по сравнению с другими, однако заметный интерес связан именно с литийсодержащими ПС (Li-ПС). И это не случайно. Их привлекательность объясняется следующим:

1. Изотоп лития с высоким сечением захвата тепловых нейтронов (6Li) содержится в естественной смеси в количестве 7.5%. И хотя это не очень много, обогащение естественной смеси изотопов лития не является существенной проблемой.

2. При захвате ядром 6Li теплового нейтрона образуются ядра 3H и 4He, с энергией 2.73 МэВ и 2.05 МэВ, соответственно. Эти частицы уверенно регистрируются ПС в непосредственной близости от места захвата, что позволяет определить его координаты.

3. Ядра изотопов лития примерно в 20 раз легче ядер изотопов кадмия и гадолиния, что при одинаковых массовых долях позволяет вводить в состав сцинтиллятора больше атомов лития.

4. Соединения лития недороги и доступны.

В последние годы появился ряд публикаций, описывающих результаты исследований в области получения Li-ПС. Авторами работ [12–17] исследовано большое количество Li-содержащих добавок и различных методов введения лития в неполярную сцинтилляционную основу. Им удалось достичь содержания лития 0.4% (по массе) для пластмассового сцинтиллятора на основе сополимера стирола и метилметакрилата [15]. В работе [18] использована добавка пивалоата лития, что позволило получить прозрачный сцинтиллятор на основе поливинилтолуола с содержанием лития 1.94%. В работе [19] в качестве элементосодержащей добавки использован метакрилат лития, который вводят в полистирол в количестве 10% (массовая доля лития – 0.63%). Этот результат авторы связывают с наличием винильных групп в метакрилате и его способности к сополимеризации. Авторами работы [20] были использованы карбоксилаты лития с низкой молекулярной массой. Возможность получения пленочного литийсодержащего пластмассового сцинтиллятора на основе полисилоксана рассматривается в работе [21], в качестве добавки лития используется 6LiF с концентрацией 2.6 мг/см2.

Цель настоящего исследования – разработка нового литийсодержащего пластмассового сцинтиллятора на основе доступных и устойчивых исходных веществ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для получения литийсодержащих пластмассовых сцинтилляторов использованы следующие материалы:

– стирол и метакриловая кислота, очищенные вакуумной перегонкой;

– 2,5-дифенилоксазол (PPO) сцинтилляционный, химически чистый;

– 1,4-бис(5-фенил-2-оксазолил)бензол (POPOP) сцинтилляционный, химически чистый;

– нафталин, очищенный зонной плавкой, чистый для анализа;

– 2,2'-азобисизобутиронитрил (AIBN) химически чистый;

– ацетат лития.

Ацетат лития получали нейтрализацией безводного гидроксида лития (чистого) уксусной кислотой (химически чистой). При проведении полимеризации растворы необходимых добавок в смеси мономеров предварительно барботировали газообразным аргоном. Полимеризацию проводили в стеклянных ампулах при температуре 50°С в течение 100 ч в присутствии AIBN. По окончании полимеризации заготовки извлекали из ампул и подвергали механической обработке. Размеры образцов после механической обработки – 25 мм в диаметре и 10 мм высотой с полированными торцевыми поверхностями и шлифованными боковыми.

Спектры пропускания образцов измерены относительно воздуха при помощи спектрофотометра UNICO UV 2804. Световыход измеряли, используя источник 207Bi, относительно образца сравнения на основе полистирола, содержащего 2% PPO и 0.015% POPOP. Погрешность определения световыхода составляла 8–10%.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Получение нового элементосодержащего пластмассового сцинтиллятора достаточно трудоемкая задача, включающая подбор сцинтилляционной основы и элементосодержащих добавок, разработку технологии изготовления и т.д. Главная трудность получения Li-ПС связана с низкой растворимостью полярных (ионных) соединений лития в неполярных сцинтилляционных основах. Поэтому основной задачей исследования был подбор пары сцинтилляционная основа – литийсодержащая добавка. В предварительных экспериментах установлено, что ацетат лития обладает приемлемой растворимостью (в контексте разработки Li-ПС), достигающей 0.30%, в сополимере стирола с метакриловой кислотой, взятых в мольном соотношении 1 : 0.8. Почему в качестве элементосодержащей добавки выбран именно ацетат лития? Ответ на этот вопрос полностью соответствует сформулированной выше цели настоящей работы. Дело в том, что это вещество бесцветно, доступно и устойчиво к воздействиям окружающей среды.

В качестве сцинтилляционных добавок выбрана традиционная комбинация: 2,5-дифенилоксазол (сцинтилляционная добавка) и 1,4-бис(5-фенил-2-оксазолил)бензол (вторичная сцинтилляционная добавка, сместитель спектра). Такой выбор обусловлен широким использованием этих веществ в качестве компонентов пластмассовых сцинтилляторов.

Указанное выше соотношение мономеров выбрано не случайно. При меньшей концентрации полиметакриловой кислоты растворимость ацетата лития становится слишком низкой, а при большей происходит хоть и незначительное, но систематическое снижение световыхода (табл. 1). Это было установлено исследованием световыхода Li-ПС на основе выбранного сополимера, содержащего 0.2% лития (в форме ацетата), 2% РРО и 0.015%.

Таблица 1.  

Зависимость световыхода Li-ПС на основе сополимера стирола (Ст) с метакриловой кислотой (Мк) от соотношения мономеров

Мольное соотношение Ст : Мк 1 : 0.8 1 : 0.9 1 : 1
Световыход 0.27 0.23 0.22

Дальнейшие исследования были посвящены оптимизации содержания остальных компонентов ПС на основе этого сополимера, направленные на достижение максимального световыхода. Для подбора оптимальной концентрации сцинтилляционной добавки в сцинтилляционной основе (полистирол – полиметакриловая кислота) исследован ряд ПС, с переменной концентрацией 2,5-дифенилоксазола (в пределах от 0 до 7% по массе). С этой целью измерены световыход (табл. 2) и спектры пропускания образцов (рис. 1).

Таблица 2.  

Световыход ПС на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8) с переменной концентрацией РРО

Массовая доля РРО, % 1 2 3 4 5 6 7
Световыход 0.12 0.18 0.19 0.21 0.22 0.22 0.22
Рис. 1.

Спектры пропускания некоторых образцов ПС на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8) с переменной концентрацией РРО: сплошная линия – 2%, тире – 4%, точки – 6%.

Анализ результатов исследования световыхода позволил определить оптимальную концентрацию 2,5-дифенилоксазола – 4%. Дальнейшее увеличение массовой доли сцинтилляционной добавки не приводит к увеличению световыхода. Этому результату не противоречит прозрачность ПС (рис. 1). Для всех образцов она достаточно близка, но претерпевает некоторое снижение с возрастанием концентрации РРО.

Оптимальная концентрация РОРОР установлена исследованием сцинтилляторов с фиксированной концентрацией РРО (4%) и переменной концентрацией РОРОР (табл. 3). Установлено, что при концентрациях свыше 0.02% (по массе) этой вторичной сцинтилляционной добавки световыход выходит на постоянное значение.

Таблица 3.  

Световыход ПС на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8) с постоянной концентрацией РРО (4%) и переменной концентрацией РОРОР

Массовая доля РОРОР, % 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
Световыход 0.23 0.30 0.31 0.31 0.31 0.32 0.32 0.32

Прозрачность образцов, содержащих РОРОР (рис. 2), так же, как и в предыдущем случае (рис. 1), мало зависит от их состава, претерпевая незначительное снижение с возрастанием концентрации РОРОР.

Рис. 2.

Спектры пропускания некоторых образцов ПС на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8) с постоянной концентрацией РРО (4%) и переменной концентрацией РОРОР: сплошная линия 0%, тире – 0.02%, точки – 0.03%.

Таким образом, оптимальные концентрации РРО и РОРОР в пластмассовых сцинтилляторах на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8) составляют 4 и 0.02%, соответственно.

Очевидным недостатком используемого сополимера является высокое содержание в нем элементарных звеньев полиметакриловой кислоты, неактивной в сцинтилляционном отношении из-за отсутствия в них ароматических фрагментов. Для преодоления этого недостатка нами была исследована возможность увеличения световыхода ПС на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой введением в их состав вторичного растворителя – нафталина [9, 22 ] (табл. 4). Полученные результаты демонстрируют достаточно крутую линейную зависимость световыхода ПС от массовой доли нафталина. При 30%-ной его концентрации световыход достигает 0.67 от стандартного образца.

Таблица 4.  

Световыход пластмассовых сцинтилляторов на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8) с постоянной концентрацией РРО и РОРОР (4 и 0.02% по массе, соответственно) и переменной концентрацией нафталина

Массовая доля нафталина, % 5 10 15 20 25 30
Световыход 0.31 0.36 0.44 0.50 0.56 0.67

Однако нельзя не учитывать возможность “выпотевания” нафталина при его высоком содержании. Поэтому концентрация вторичного растворителя ограничена 15%. При этом световыход составляет 0.44 от световыхода стандартного образца.

Итак, установлено, что для достижения наилучшего световыхода ПС на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8) следует использовать следующий состав: РРО – 4%, РОРОР – 0.02%, нафталин – 15%. С учетом этих соотношений приготовлены и исследованы литийсодержащие пластмассовые сцинтилляторы. Напомним, что в качестве элементосодержащей добавки использован ацетат лития. Это вещество бесцветно, доступно и устойчиво к воздействиям окружающей среды. Было изготовлено три образца с содержанием лития 0.1, 0.2 и 0.3%. Исследование световыхода показало отсутствие его зависимости от концентрации лития, взятого в виде ацетата (табл. 5). Прозрачность полученных образцов незначительно, но закономерно уменьшается с ростом концентрации металла (рис. 3).

Таблица 5.  

Световыход Li-ПС на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8). Массовые доли компонентов: РРО – 4%, РОРОР – 0.02%, нафталин – 15%

Массовая доля лития, % 0.1 0.2 0.3
Световыход 0.46 0.46 0.46
Рис. 3.

Спектры пропускания образцов Li-ПС (сплошная линия – 0.1% Li, тире – 0.2% Li, точки – 0.3% Li) на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой (мольное соотношение 1 : 0.8). Массовые доли компонентов: РРО – 4%, РОРОР – 0.02%, нафталин – 15%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований разработан литийсодержащий пластмассовый сцинтиллятор на основе сополимера стирола с метакриловой кислотой, содержащий в качестве элементосодержащей добавки ацетат лития, бесцветное, легкодоступное соединение с высокой устойчивостью к воздействиям окружающей среды.

В качестве сцинтилляционных добавок выбраны РРО и РОРОР. Установлены оптимальные концентрации этих веществ, составившие 4 и 0.02%, соответственно. Для увеличения световыхода использован вторичный растворитель, нафталин, взятый в количестве 15%.

Авторы выражают благодарность О.В. Вагиной, Н.А. Винокурову и В.В. Фарисеевой за техническую помощь при получении образцов сцинтилляторов.

Список литературы

  1. Анисимова Г.И., Данелян Л.С., Жигач А.Ф. и др. // ПТЭ. 1969. № 1. С. 49.

  2. Бруданин В.Б., Кочетов О.И., Немченок И.Б. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2001. Т. 65. № 1. С. 60; Brudanin V.B., Kochetov O.I., Nemchenok I.B. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2001. V. 65. No. 1. P. 62.

  3. https://www.crystals.saintgobain.com/sites/imdf.crystals. com/files/documents/organics-plastic-scintillators.pdf.

  4. https://eljentechnology.com/images/technical_library/ Eljen-Catalog-2019.pdf.

  5. Ryzhikov V.D., Desenko S.M., Kopina I.V. et al. // PAST. 2004. No. 2. P. 169.

  6. Pawełczak I.A., Glenn A.M., Martinez H.P. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2014. V. 751. Art. No. 8269.

  7. Gzirr J.B. // Nucl. Instrum. Meth. 1973. V. 108. P. 613.

  8. Алешин В.И., Бакаляров А.М., Балыш А.Я. и др. // ПТЭ. 1977. № 4. С. 68.

  9. Bregadze V.I., Brudanin V.B., Nemchenok I.B. et al. // Part. Nucl. Lett. 2001. No. 6(109). P. 69.

  10. Nemchenok I.B., Gundorin N.A., Shurenkova A.A. et al. // Func. Mater. 2013. V. 20. No. 3. P. 310.

  11. Немченок И.Б., Шуренкова А.А., Бруданин В.Б. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2012. Т. 76. № 11. С. 1326. Nemchenok I.B., Shurenkova A.A., Brudanin V.B. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2011. V. 75. No. 7. P. 1007.

  12. Zaitseva N., Glenn A., Martinez H.P. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2013. V. 729. P. 747.

  13. Mabe A.N., Carman L., Glenn A. et al. // Proc. SPIE. 2019. V. 11114. Art. No. 1111408.

  14. Zaitseva N., Carman M.L., Faust M.A. et al. Patent US No. 9274237, Int. cl. C 09 K 11/02, G 01 T 1/204, G 01 T 1/10, G 01 K 4/00, G 01 T 3/06. 2016.

  15. Mabe A.N., Glenn A.M., Carman M.L. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. No. 2016. V. 806. P. 80.

  16. Mabe A.N., Auxier J.D., Urffer M.J. et al. // J. Compos. 2013. V. 2013. Art. No. 539060.

  17. Mabe A.N., Urffer M.J., Penumadu Dayakar et al. // Radiat. Meas. 2014. V. 66. P. 5.

  18. Cherepy N.J., Sanner R.D., Beck P.R. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2015. V. 778. P. 126.

  19. Breukers R.D., Bartle C.M., Edgar A. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2013. V. 701. P. 58.

  20. Frangville C., Hamel M., Bertrand G.H.V. et al. // Mater. Chem. Front. 2019. V. 3. No. 8. P. 1626.

  21. Carturan S.M., Vesco M., Bonesso I. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2019. V. 925. P. 109.

  22. Барашков Н.Н., Гундер О.А. Флуоресцирующие полимеры. М.: Химия, 1987. 224 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал