металлосодержащий пластмассовый сцинтиллятор

Формула изобретения

1. Пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола, включающий люминесцирующие добавки и металлосодержащее соединение, отличающийся тем, что в качестве люминесцирующих добавок содержит наноструктурированный наполнитель, состоящий из звеньев, соответствующих первичному и вторичному люминофорам, а в качестве металлосодержащего соединения содержит соединение, выбранное из самоорганизующихся наноструктурированных элементоорганических соединений общей формулы C₂₄H ₂₃O₆S₃Si₃Me, где Me означает Eu или Tb, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

наноструктурированный наполнитель	1,0-2,0
металлосодержащее соединение	1,0-10,0
полистирол	остальное

2. Пластмассовый сцинтиллятор по п.1, отличающийся тем, что в наноструктурированном наполнителе звеньями, соответствующими первичному и вторичному люминофорам, являются звенья первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено).

3. Пластмассовый сцинтиллятор по п.1, отличающийся тем, что самоорганизующимся наноструктурированным элементоорганическим соединением является C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu.

4. Пластмассовый сцинтиллятор по п.1, отличающийся тем, что самоорганизующимся наноструктурированным элементоорганическим соединением является C₂₄H ₂₃O₆S₃Si₃Tb.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания материалов для сцинтилляционной техники, а именно к созданию пластмассовых сцинтилляторов с повышенным средним атомным номером и может быть использовано в экспериментальных установках и приборах для регистрации низкоэнергетического гамма-излучения (20-200 КэВ).

Известен пластмассовый сцинтиллятор на основе винилароматических полимеров и наноструктурированного наполнителя [патент РФ N2380726]. Этот сцинтиллятор имеет световой выход относительно антрацена 100-110%, однако в его составе нет металлосодержащих соединений. Поэтому коэффициент ослабления гамма-квантов с энергией 60 КэВ для этого сцинтиллятора не превышает 0,2 см^-1.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому сцинтиллятору является пластмассовый сцинтиллятор на основе винилароматических полимеров (в т.ч полистирола), включающий люминесцирующие добавки и металлсодержащее соединение из алкиларильных соединениий олова или свинца [авторское свидетельство СССР N1464706, кл. G01T 1/203, опубл. 15.12.1992. Бюлл. № 46]. Коэффициент ослабления гамма-квантов с энергией 60 КэВ для этого сцинтиллятора достигает 0,3-0,4 см^-1 , однако световой выход при этом составляет 35-45% от светового выхода антрацена.

Наиболее часто в качестве вилинароматического полимера для полимерной матрицы пластмассовых сцинтилляторов используют полистирол ввиду его хороших оптических свойств, коммерческой доступности и невысокой цены как самого полимера, так и мономера для его получения - стирола (Б.В.Гринев, В.Г.Сенчишин. Пластмассовые сцинтилляторы, 2003, Акта, Харьков, 324 с.).

Задача изобретения - получение нового пластмассового сцинтиллятора с повышенной эффективностью регистрации гамма-квантов с энергией 20-200 кэВ и высоким световым выходом.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения: 1) коэффициент ослабления гамма-квантов с энергией 60 КэВ в 1,5-2,5 раза выше, чем у пластмассового сцинтиллятора без металлосодержащего соединения; 2) световой выход нового пластмассового сцинтиллятора 60-75% относительно светового выхода антрацена.

Поставленная задача решается тем, что создан новый пластмассовый сцинтиллятор на основе полистирола, включающий люминесцирующие добавки и металлосодержащее соединение, отличающийся от известного тем, что в качестве люминесцирующих добавок содержит наноструктурированный наполнитель, состоящий из звеньев, соответствующих первичному и вторичному люминофорам, а в качестве металлосодержащего соединения содержит соединение, выбранное из самоорганизующихся наноструктурированных элементоорганических соединений общей формулы C₂₄H ₂₃O₆S₃Si₃Me, где Me означает Eu или Tb, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

наноструктурированный наполнитель	1,0-2,0
металлосодержащее соединение	1,0-10,0
полистирол	остальное

В частности, в наноструктурированном наполнителе звеньями, соответствующими первичному и вторичному люминофорам, являются звенья первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено).

В частности, самоорганизующимся наноструктурированным элементоорганическим соединением является C₂₄H₂₃O₆S₃Si ₃Eu или C₂₄H₂₃O₆S ₃Si₃Tb.

Увеличение эффективности регистрации гамма-квантов достигается в результате повышения среднего атомного номера пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола и наноструктурированного наполнителя вследствие введения в него металла с большим атомным номером (¹⁵³Eu или ¹⁵⁹Tb). Высокий световой выход пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола и наноструктурированного наполнителя снижается при этом незначительно, так как длинноволновое поглощение 5-(триметилсилил)тиофен-2-карбонильного лиганда лежит в области 230-250 нм и не перекрывается со спектрами люминесценции полистирола (280-350 нм) и наноструктурированного наполнителя (400-500 нм). Некоторое снижение светового выхода с ростом концентрации металлосодержащего соединения объясняется уменьшением доли полистирола и флуктуациями плотности матрицы, вызванными большим содержанием металлосодержащего соединения.

Самоорганизующиеся наноструктурированные элементоорганические соединения общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Me, где Me=Eu или Tb (см фиг.1), получают путем взаимодействия 5-(триметилсилил)тиофен-2-карбоновой кислоты с ацетатом соответствующего металла (европия или тербия) по реакции обмена лигандами. Примеры таких реакций описаны в Chem. Mater. 1998, v.10, № 1, p.286-296. Примеры получения кремнийорганических производных тиофенкарбоновой кислоты описаны в Langmuir, 2009, v.25, № 16, p.9270-9284.

Наноструктурированный наполнитель содержит первичный и вторичный люминофоры, соединенные атомами кремния в наноразмерные разветвленные макромолекулы. При этом первичный люминофор выбирают из группы соединений, у которых максимум длинноволновой полосы спектра поглощения находится в интервале от 270 до 350 нм и квантовый выход флуоресценции не менее 5%, а вторичный люминофор выбран из группы соединений, у которых максимум длинноволновой полосы спектра поглощения находится в интервале от 330 до 400 нм и квантовый выход флуоресценции не менее 30%.

Наноструктурированный наполнитель получают с помощью по крайней мере одной из реакций металлоорганического синтеза (Сузуки, Кумады, Стилле, Ульмана), а также взаимодействием хлор- или алкоксисиланов с литий- или магнийорганическими производными. Примеры таких реакций описаны в:

1. Известия Академии Наук, Серия химическая, 2005, № .3, с.673;

2. Mendeleev Communications, 2007, v.17, № 1, p.34-36;

3. Chem. Mater., 2009, v.21, № 3, p.447-455.

В качестве наноструктурированных наполнителей могут выступать разветвленные олигоарилсиланы, например, описанные в патенте РФ № 2396290 или полиарилсилановые дендримеры, описанные в патенте РФ № 2353629. Предпочтительным является наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), структурная формула которого представлена на Фиг.2.

Заготовку сцинтиллятора получают, смешивая наноструктурированный наполнитель и наноструктурированное элементоорганическое соединение с полимером, выбранным в качестве основы, в двухшнековом смесителе с возвратным каналом (при температуре 180°C и частоте вращения шнеков 600 об/мин). Далее прессованием (при температуре плит 180°C) получают образцы ПС диаметром 25 мм, высотой 10 мм. Поверхность образца тщательно полируют.

Измерения коэффициента ослабления гамма-квантов и светового выхода пластмассового сцинтиллятора производят на калиброванном амплитудном спектрометре.

На Фиг.1 представлена структурная формула самоорганизующихся наноструктурированных элементоорганических соединений общей формулы C₂₄H₂₃O₆S₃Si ₃Me, где Me=Eu или Tb.

На Фиг.2 представлена структурная формула наноструктурированного наполнителя, состоящего из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 98% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,22 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 60%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 2

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 96,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,29 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 58%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 3

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 94% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 53%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 4

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 89% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,43 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 47%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 5

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 98% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,24 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 70%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 6

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 96,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 68%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 7

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 94% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,44 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 64%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 8

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 1% массы;

полистирол - 89% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,53 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 55%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 9

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 97% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,22 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 73%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 10

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 95,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,29 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 71%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 11

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 93% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 64%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 12

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Eu и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Eu - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 88% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,43 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 56%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 13

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 1% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 97% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,24 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 85%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 14

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 2,5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 95,5% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,36 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 82%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 15

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 5% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 93% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,44 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 78%, относительно светового выхода антрацена.

Пример 16

Используя металлосодержащее соединение общей формулы C₂₄H₂₃O₆ S₃Si₃Tb и наноструктурированный наполнитель, состоящий из первичного люминофора - 2,2'-битиенил (четыре звена) и вторичного люминофора - 9,10-дифенилантрацен (одно звено), изготавливают образец пластмассового сцинтиллятора следующего состава:

металлосодержащее соединение C₂₄ H₂₃O₆S₃Si₃Tb - 10% массы;

наноструктурированный наполнитель - 2% массы;

полистирол - 88% массы.

Измеренный коэффициент ослабления гамма-квантов составляет 0,53 см^-1.

Измеренный световой выход образца ПС составляет 66%, относительно светового выхода антрацена.