пластмассовый сцинтиллятор
Классы МПК: | G01T1/203 аморфных (выполненных из пластмасс) |
Автор(ы): | Больбит Н.М., Тарабан В.Б., Шелухов И.П., Милинчук В.К. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-02-27 публикация патента:
27.05.2000 |
Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к радиационно-стойким пластмассовым сцинтилляторам (ПМС). Заявляемый ПМС может быть использован в атомной промышленности, ядерной физике, в физике и химии высоких энергий. Задачей изобретения является создание ПМС, обладающего способностью сохранять световыход выше 90% от его начального значения после поглощения дозы ионизирующего излучения, многократно превосходящей аналогичную величину для известных ПМС. Поставленная задача решается тем, что ПМС изготовляется микропористым. Чтобы микропористый ПМС обладал приемлемой прозрачностью к свету собственной люминесценции, он выполняется с объемной пористостью 0,025 <
< 0,5, а поры и каналы - со средним диаметром d из интервала, определяемого соотношением 10-3< d/
< (
/L
)1/3, где L - толщина сцинтиллятора,
- длина волны испускаемого сцинтилляционными добавками света. Техническим результатом изобретения является получение ПМС с параметром радиационной стойкости, в несколько раз превосходящим аналогичный показатель для сплошного ПМС при близких начальных значениях световыхода. 1 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
Формула изобретения
Пластмассовый сцинтиллятор, включающий полимерную матрицу, содержащую сцинтилляционные добавки, отличающийся тем, что полимерная матрица имеет пористую структуру с величиной объемной пористости![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к материалам для сцинтилляционной техники, а именно к радиационно-стойким пластмассовым сцинтилляторам (ПМС). Заявляемый ПМС может быть использован в атомной промышленности, ядерной физике, в физике и химии высоких энергий. Поскольку ПМС в ряде областей применения эксплуатируются в сильных радиационных полях, к ним предъявляется требование сохранять величину световыхода после значительных поглощенных доз излучения, т.е. быть радиационно-стойкими. Радиационная стойкость ПМС характеризуется зависимостью световыхода JD поглощенной дозы D. В качестве меры радиационной стойкости ПМС часто используют величины поглощенной дозы D0,9 и D0,5, которые соответствуют уменьшению световыхода до уровня 0,9 и 0,5 от световыхода необлученного ПМС. ПМС представляет собой твердый прозрачный раствор сцинтилляционных люминесцентных добавок (ЛД) в матрице полимера. При этом в качестве ЛД обычно используют органические люминофоры: РТР (пара-терфенил), РРО (2,5 дифенилоксазол-1,3), РОРОР (1,4-ди(5- фенилоксазолил-2) бензол) и др. В качестве матрицы используются как полимеры, обладающие сцинтилляционными свойствами, например полистирол (ПС), так и композиции на основе слабо сцинтиллирующих полимеров с введенными в них активаторами, например композиция полиметилметакрилат (ПММА)- нафталин (5-10%). Однако радиационная стойкость таких сцинтилляторов мала. Также мала и скорость пост-радиационного восстановления световыхода. Например, стандартный ПС-сцинтиллятор, содержащий 2% рТР и 0,025% РОРОР, имеет D0,9 = 5кГр[1]. Одним из путей повышения радиационной стойкости ПМС является введение антирадных добавок, например органических соединений, содержащих одиночные или конденсированные ароматические кольца (толуол, нафталин и др.). Описан отечественный ПМС на основе ПС, содержащий 10% нафталина. Он имеет повышенную радиационную стойкость и D0,9 = 20 кГр ([2] -прототип). Недостатками этого решения являются неудовлетворительная радиационная стойкость, нестабильность свойств ПМС при хранении в обычных условиях за счет выпотевания антирадных добавок, приводящего к помутнению и растрескиванию поверхности образцов. Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, состоит в создании ПМС, обладающего радиационной стойкостью, многократно превосходящей стойкость прототипа в сочетании со стабильным начальным световыходом на уровне световыхода прототипа. Поставленная задача решается тем, что ПМС изготовляется микропористым, а его объемная микропористая структура представляет собой дисперсную систему пор и каналов, как взаимосвязанных, открытых с поверхности тела, так и изолированных в его объеме. Те и другие поры и каналы в процессе эксплуатации заполнены воздухом, который служит антирадом. Устройство ПМС показано на чертеже, где 1 - тело ПМС; 2 - каналы и взаимосвязанные открытые поры; 3 - изолированные поры; 4 - люминесцентные добавки. Собственная радиационная стойкость ЛД исключительно велика. Большинство используемых в ПМС ЛД, облученных в отсутствие растворителя, выдерживают без разложения поглощенную дозу до 1 МГр, в то время как заметное падение световыхода ПМС наблюдается при дозе 1 кГр. Это обусловлено тушащим действием продуктов радиолиза полимера основы, в первую очередь макрорадикалов. В свою очередь, макрорадикалы гибнут в результате реакции окисления при взаимодействии с растворенным кислородом и последующего отрыва водорода от молекулы полимера с образованием гидроперекисей [3]. В ПМС, выполненном предлагаемым образом в виде полимерного тела (1) со взаимосвязанной системой пор, открытых с поверхности (2), существенно облегчен транспорт кислорода к макрорадикалам за счет большой удельной поверхности наполненных воздухом пор и малой толщины стенок, что способствует переходу реакции окисления и гибели макрорадикалов из диффузионной области в кинетическую. По мере расходования кислорода в массе полимера, подвергающегося радиолизу, через открытые с поверхности ПМС поры идет подпитка полимера кислородом из окружающей среды. Закрытые поры (3) являются дополнительными резервуарами кислорода и также участвуют в реакции гибели макрорадикалов - тушителей люминесценции. В случае же сплошного объемного ПМС диффузия кислорода из атмосферы носит фронтальный характер и ограничивается приповерхностным слоем. Т.о. облегченный транспорт кислорода в ПМС из наполненных воздухом взаимосвязанных пор и каналов предопределяет существенное замедление спада световыхода по мере поглощения энергии ионизирующего излучения (ИИ) по сравнению со сплошным ПМС. Отрицательным фактором, связанным с микропористой структурой, являются потери излучения ЛД на рассеяние в двухфазной пористой системе. Чем больше объемная доля пор, тем хуже прозрачность и меньше световыход. Противоположное действие на световыход двух независимых факторов - восстанавливающее действие кислорода и ослабляющее действие рассеяния света - имеет оптимальное значение при![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
I = I0 exp ( -
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150073/964.gif)
где
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150073/964.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150043/945.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150016/960.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/956.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/8810.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/956.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/215.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150016/960.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150073/964.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/215.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150016/960.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/215.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/956.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/956.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/215.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150043/945.gif)
где
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/956.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/956.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150129/956.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150073/964.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150073/964.gif)
10-2< d/
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150091/955.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
Нижняя граница интервала определяется диаметром молекулы кислорода. В НИФХИ им. Л.Я.Карпова синтезированы микропористые ПМС методом радикальной трехмерной сополимеризации [6] композиций, содержащих мономер, бифункциональный сшиватель, органический растворитель и люминесцентные добавки, определены пороструктурные характеристики ПМС и проведены испытания на радиационную стойкость. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. (Доли компонентов приводятся в весовых процентах). Радикальной сополимеризацией получали стеклообразную заготовку, состоящую из полистирола, сшитого с помощью олигомера ОКМ-2 (
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150043/945.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150087/969.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
Примеры 3-5. Образцы сравнения. Пример 6. Полимерную заготовку получали аналогично примеру 2 с той разницей, что вместо стирола в качестве основного мономера использовали метилметакрилат, а в мономерную смесь вводили 5% нафталина. Пример 7. Полимерную заготовку получали аналогично примеру 2 с той разницей, что в качестве основного мономера вместо стирола использовали метилметакрилат, а в мономерную смесь вводили 5% нафталина. Пример 8. Опыт проводили аналогично примеру 1 с той разницей, что соотношение сомономеров было 40/60, концентрация люминофоров составляла для РРО - 2%, РОРОР - 0,025%, а средний диаметр пор был равен 1100 нм. Пример 9. Полимерную заготовку получали аналогично примеру 2 с той разницей, что соотношение ПС/ТГМ составляло 50:50, а объемная доля пор была равна 0,60. Как видно из таблицы, все микропористые образцы ПМС (N 1,2,6,7,8,9) обладают радиационной стойкостью, параметры которой в несколько раз превосходят аналогичные параметры сплошных образцов сравнения (N 3,4,5). Наилучшие показатели радиационной стойкости имеют образцы ПМС N 1,2 с пороструктурными характеристиками из интервалов
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
![пластмассовый сцинтиллятор, патент № 2150129](/images/patents/321/2150012/981.gif)
1. Бритвич Г. И., Васильченко В.Г., Лапшин В.Г. Радиационная стойкость пластмассовых сцинтилляторов. Приборы и техника эксперимента. 1994, N 1. с 75-85. 2. Горбачев В.М., Кузянов В.В., Пешкова З.И., Ростовцева Э.A., Уваров Н. А. Сцинтиллирующие пластмассы с повышенной радиационной стойкостью. Атомная энергия.-1975.T 38. N 6 с 427-429. 3. Милинчук В.К., Клиншпонт Э.Р., Пшежейкий С.Я. Макрорадикалы. -М.: Химия, 1980, 264 с. 4. Росташвили В.Г., Иржак В.И., Розенберг В.А. Стеклование полимеров. - Л.: Химия, 1987, 192. 5. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. - М.: Мир, 1986, 664 с. 6. Иржак В. И. , Розенберг Б. А., Ениколопян H.C. Сетчатые полимеры, (синтез, структура, свойства). -М.: Haука, 1979, 248 с.
Класс G01T1/203 аморфных (выполненных из пластмасс)