Патент на изобретение №2267512

(54) ЖИДКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, в частности, к жидкому сцинтиллятору, который может быть использован для регистрации космических излучений. Описывается жидкий сцинтиллятор, содержащий бензилбензоат в совокупности с нафталином и люминесцентной добавкой – 2-фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4,-оксадиазолом или 1,3,5-трифенил-2-пиразолином при соотношении компонентов, мас.%: Бензилбензоат – 84,0-87,0; Нафталин – 12,5-15,0; указанная люминесцентная добавка – 0,4-0,7, предложенный сцинтиллятор имеет высокую сцинтилляционную эффективность, является доступным, нетоксичным и неогнеопасным. 1 табл.

Изобретение относится к сцинтилляционной технике и может быть использовано для получения жидкого сцинтиллятора, который применяется в больших объемах для регистрации космических излучений.

Известен жидкий сцинтиллятор для этой цели [Воеводский А.В., Дадыкин В.Л., Ряжская О.Г. В сб. Монокристаллы, сцинтилляторы и органические люминофоры, 1969, вып.5, ч.1, с.143-146], который содержит органический растворитель и люминесцентные добавки. В качестве растворителя использован уайт-спирит, а люминесцентной добавкой является смесь 2,5-дифенилоксазола (РРО) с 1,4-бис(5-фенил-2-оксазолил)бензолом (РОРОР), содержание которых вследствие их малой растворимости в уайт-спирите невелико и составляет, соответственно, 0,1 и 0,03 мас.%. Сцинтилляционная эффективность такого сцинтиллятора по отношению к общепринятому эталону (0,4 мас.% пара-терфенила и 0,01 мас.% РОРОР в толуоле) составляет 43%. Из-за низкой температуры воспламенения уайт-спирита (37°С) работа с этим сцинтиллятором огнеопасна.

Известен жидкий сцинтиллятор [а.с. СССР 172331, С 09 К 11/06], содержащий в качестве растворителя вазелиновое масло, те же люминесцентные добавки – РРО (0,5 мас.%) или его смесь с РОРОР (0,01 мас.%) и, дополнительно, в качестве переносчика энергии электронного возбуждения, до 10 мас.% нафталина или 1-метилнафталина. Сцинтилляционная эффективность составляет 45-55%. Использование такого сцинтиллятора в больших объемах малоэффективно, так как низкая оптическая прозрачность вазелинового масла затрудняет перенос энергии к люминесцентной добавке. Трудоемкая очистка вазелинового масла увеличивает стоимость сцинтиллятора и уменьшает его доступность.

Известен также жидкий сцинтиллятор (патент Украины №24971, G 01 T 1/204; Патент РФ №2094824), в составе которого органическим растворителем является смесь жидких парафинов – фракции перегонки нефти с температурой кипения 222-339°С – с добавкой ароматического углеводорода – нафталина, 1-метилнафталина, пара-ксилола. Особенностью сцинтиллятора на основе жидких парафинов является возможность применения в его составе наряду с 2,5-диарилоксазолами значительно более доступного 1,3,5-трифенил-2-пиразолина. Жидкие парафины менее огнеопасны, чем уайт-спирит. Но при их получении из нефтяных фракций необходима работа с олеумом, требующая специальной аппаратуры и значительно усложняющая технику безопасности (см. Технические условия Кременчугского нефтеперерабатывающего завода 38 УССР, 201.449-85). Это ограничивает применение жидких парафинов при получении сцинтиллятора, применяемого в больших объемах.

В качестве прототипа нами выбран последний из аналогов.

В основу изобретения положена задача создания жидкого сцинтиллятора, который, с учетом его назначения для работы в больших объемах, был бы при высокой сцинтилляционной эффективности неогнеопасным, нетоксичным и доступным.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в жидком сцинтилляторе, содержащем люминесцентную добавку, нафталин и органический растворитель, согласно изобретению, в качестве люминесцентной добавки он содержит 2-фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4-оксадиазол или 1,3,5-трифенил-2-пиразолин, а в качестве органического растворителя – бензилбензоат при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бензилбензоат (А) – нетоксичный растворитель (III класс опасности; ЛД₅₀=4000 мг/кг, ЛК₅₀=1700 мг/л), выпускаемый промышленностью как тоннажный продукт и применяющийся в медицине (фармакопейная статья ФС42У-45-602-39).

В отличие от прототипа, ароматический и в то же время полярный характер молекул предлагаемого органического растворителя обеспечивает более высокую растворимость в нем органических добавок, более высокую сцинтилляционную эффективность.

Температура кипения бензилбензоата 323-324°С, температура вспышки 156-158°С – значительно выше, чем у жидких парафинов (98°С). Применение бензилбензоата дает возможность увеличить содержание в сцинтилляторе нафталина, способствующего более высокой сцинтилляционной эффективности, до 15 мас.% без выпадения его из раствора при комнатной температуре, и до 12,5 мас.% при – 5-7°С, в то время как в сцинтилляторе на основе жидких парафинов, растворяющих до 10 мас.% нафталина, для этого дополнительно вводят ксилол, понижающий температуру вспышки и, тем самым, увеличивающий огнеопасность, или полностью заменяют нафталин ксилолом или менее доступным 1-метилнафталином.

Применение в качестве органического растворителя бензилбензоата обеспечило возможность использования иной чем в прототипе, более доступной, но не растворимой в жидких парафинах, люминесцентной добавки, а именно 2-фенил-5-(4-бифенилил)-оксадиазола (РВД); при этом сцинтилляционная эффективность составляет 79-82%, а использование той, что в прототипе, также доступной люминесцентной добавки – 1,3,5-трифенил-2-пиразолина (ТРР) обеспечило увеличение сцинтилляционной эффективности до 80%, в отличие от прототипа, где она значительно ниже.

В таблице приведены сравнительные данные заявляемого сцинтиллятора и прототипа.

Пример 1. В емкость заливают 845 г (84,5 мас.%) бензилбензоата, растворяют в нем 150 г (15 мас.%) нафталина и 5 г (0,5 мас.%) 1,3,5-трифенил-2-пиразолина, до полного растворения люминесцентной добавки.

Спектры люминесценции сцинтиллятора измеряли, как и в прототипе, на установке, состоящей из зеркального монохроматора ЗМР-3, приемника оптического излучения ФЭУ-18, микроамперметра М-95. Фотолюминесценцию возбуждали лампой СВДШ-500, из спектра которой кварцевым монохроматором выделяли свет с длиной волны 313 нм.

Максимум люминесценции (_{макс.люм.}) 455 нм.

Сцинтилляционную эффективность так же, как в прототипе, определяли по среднему фототоку ФЭУ-13А при воздействии на сцинтиллятор радиоактивным источником ¹³⁷Cs по отношению к эталонному раствору (0,4 мас.% пара-терфенила и 0,01 мас.% РОРОР в толуоле).

Сцинтилляционная эффективность (I_сц) 80%.

Пример 2. Аналогичным образом получают сцинтиллятор из 846 г (84,6 мас.%) бензилбензоната, 150 г (15 мас.%) нафталина и 4 г (0,4 мас.%) 2-фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4-оксадиазола.

Максимум люминесценции (_{макс.люм.}) 375 нм.

Сцинтилляционная эффективность (I_сц) 82%.

Эти и другие примеры приведены в таблице, которая показывает, что выход за предельные значения параметров, являющихся предметом заявки (таблица, составы 1-4, 12-14), приводит к снижению сцинтилляционной эффективности.

Использование люминесцентной добавки в количестве, превышающем верхние значения заявки, нецелесообразно, так как не дает положительных результатов (таблица, составы 11, 17).

Применение в качестве сцинтилляционного растворителя доступного, нетоксичного и неогнеопасного бензилбензоата в совокупности с нафталином и люминесцентными добавками – 1,3,5-трифенил-2-пиразолином и 2-фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4-оксадиазолом – дает возможность повысить сцинтилляционную эффективность в 1,3-1,6 раза и, что очень важно при работе с большими объемами сцинтиллятора, снизить его токсичность и огнеопасность.

Таблица
		Содержание компонентов, мас.%					макс.люм.	Iсц
		Бензилбензоат	Нафталин	ТРР	РВД
1		91,4	8,0	0,6	–		455	68
2		89,5	10,0	0,5	–		455	70
3		87,2	12,5	0,3	–		455	70
4		82,6	17,0*	0,4	–		455	–
5		87,0	12,5	0,5	–		455	78
6		86,9	12,5	0,6	–		455	79
7		85,4	14,0	0,6	–		455	80
8		84,5	15,0	0,5	–		455	80
9		84,4	15,0	0,6	–		455	80
10		84,3	15,0	0,7	–		455	80
11		84,2	15,0	0,8	–		455	78
12		91,5	8,0	–	0,5		375	72
13		84,7	15,0	–	0,3		375	70
14		89,5	10,0	–	0,5		375	72
15		89,3	10,0	–	0,7		375	75
16		86,9	12,5	–	0,6		375	80
17		86,7	12,5	–	0,8		375	78
18		84,6	15,0	–	0,4		375	82
19		84,4	15,0	–	0,6		375	82
20		84,3	15,0	–	0,7		375	79
Прототип
21	94,5**		5,0	0,5	–	435		52
22	89,5**		10,0	0,5	–	440		64
* Не полностью растворяется в бензилбензоате. ** Жидкие парафины

Формула изобретения

Жидкий сцинтиллятор, содержащий люминесцентную добавку, нафталин и органический растворитель, отличающийся тем, что в качестве люминесцентной добавки он содержит 2-фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4-оксадиазол или 1,3,5-трифенил-2-пиразолин, а в качестве органического растворителя – бензилбензоат при следующем соотношении компонентов, мас.%: