Пластиковые сцинтилляторы – это увлекательно. Они не особо эффективны для детекции гамма-излучения, но при этом дешевы, надежны и отлично подходят для обнаружения излучения частиц, при этом успешно различая альфа/бета/нейтронные волны и не только.Такие сцинтилляторы можно отливать в любую форму и легко обрабатывать механически, благодаря чему они успешно применяются для специализированных детекторов, счетчиков и во многих других сферах.
Принцип действия
В большинстве случаев эти устройства очень похожи на жидкие сцинтилляторы. Состоят они из матрицы (растворителя), выступающего в роли основного компонента, а также первичного сцинтиллятора и вторичного, служащего для смещения спектра излучения. Матрица поглощает радиацию и посредством нерадиоактивного процесса передает ее энергию в первичный осциллятор, который, в свою очередь, испускает свечение, как правило, в УФ-диапазоне.
Здесь есть одна сложность: большинство матриц плохо пропускают УФ-спектр, равно как большинство фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не особо к нему чувствительны. Решается это добавлением вторичного сцинтиллятора, который поглощает УФ, преобразуя его в излучение уже видимого спектра. Отсюда и название «устройство смещения спектра излучения».
Обычно в качестве матрицы служит ароматическое соединение, поскольку оно содействует передаче энергии в первичный осциллятор. К наиболее используемым растворителям относятся бензол, толуол, ксилол и аналогичные производные. В пластиковых же сцинтилляторах используются поливинилтолуол или стирол.
Самыми распространенными первичными сцинтилляторами являются 2,5-дифенилоксазол (РРО) или паратерфенил (например, в ВС412).
Для сдвига же излучения может применяться любой компонент, поглощающий свет в области ~350 нм и повторно излучающий его в подходящей длине волны, в идеале около 420 нм для двухщелочных ФЭУ. Здесь стоит отметить 1,4-Бис (5-фенилоксазол-2-ил)бензол (POPOP, например в BC400)) и 2,5-бис (5-трет-бутил-2-бензоксазол-2-ил)тиофен (TPBD, например, в BC412).
Для хорошего времени отклика важно, чтобы и первичный, и вторичный сцинтилляторы имели короткое время затухания. Стандартная концентрация сцинтилляторов в растворителе варьируется от 0.5 до 2% для основного и от 0.01 до 0.5% для смещающего излучение.
В своих экземплярах на роль матрицы я выбрал эпоксидную смолу, потому как она дешева, доступна и легко поддается литью с последующей механической обработкой. Пока что все эксперименты я проводил со смолой «Е45» на основе бисфенола-А.
Для первичного сцинтиллятора я взял п-терфенил, так как его можно недорого заказать в S3 Chemicals.
Со вторичным же вопрос до сих пор остается открытым, так как я не могу заполучить ни один из стандартных образцов. Знакомый подогнал мне для пробы лазерный краситель кумарин 102. Несмотря на то, что его спектр поглощения не точно соответствует излучению п-терфенила, он все равно работает.
Формула и обход сложностей реализации
Для получения 50 г сцинтилляционной смолы мне понадобилось:
- 0.5 г п-терфенила (1%);
- 50 мг кумарина 102 (0.1%);
- 7 г ксилола;
- 16.7 г отвердителя;
- 33.3 г смолы.
Технически для раствора такая концентрация п-терфенила слишком велика, но с помощью некоторых уловок можно добиться прозрачности сцинтилляторов. Мои первые попытки провалились, и у меня получились молочно-белые блоки смолы, которые, естественно, не передавали формируемое ими свечение.
Решение проблемы
Я взвесил п-терфенил, кумарин и ксилол в мерном стаканчике, затем довел всю эту смесь до кипения, чтобы компоненты растворились, после чего накрыл стакан круглодонной колбой для предотвращения выкипания ксилола. Одновременно с этим подогрел смолу до 60С.
Как только раствор стал чистым, я добавил отвердитель и поддерживал высокую температуру, не допуская закипания. Затем перемешал смесь до исчезновения шлиров и тщательно вмешал в нее смолу, после чего отлил нужную форму. На время отвердения нужно поддерживать температуру ~80C, иначе часть вещества просто выпадет в осадок. При больших объемах материала выделяемого в процессе отвердения тепла может хватить, но полагаться на это не советую.
Сцинтилляторы в кипящем ксилене со слабым УФ-свечением
Растворенные сцинтилляторы и отвердитель сзади, предварительно нагретая смола спереди
Отливка сцинтилляторов в силиконовых формах
После затвердения смолы сцинтилляторы готовы!
Итог и анализ спецификации
Сцинтиллятор получился ужасный.
При облучении гамма-излучением и замере с помощью Hamamatsu R550 на выходе мы получаем около 50% свечения в сравнении со старыми советскими аналогами на основе полистирола, которые, итак, не хвалились особой светоотдачей.
Я думаю, что основная причина в смоле, которая поглощает большую часть свечения первичного сцинтиллятора до его попадания в область смещения спектра. К тому же спектр поглощения этой области сильно отличается от спектра п-терфенила.
Отмечу очевидное: эти сцинтилляторы не являются (гамма)-спектроскопическими и, вероятно, никогда таковыми не будут. На сегодня в этом отношении бесспорно лидируют неорганические детекторы, но пластиковые сцинтилляторы для этого и не предназначены.
Я нахожусь в поисках POPOP, ожидая, что с его помощью удастся улучшить результаты. Кроме этого, нужно попробовать в качестве эксперимента использовать для матрицы PMMA.
Еще одна проблема – образование пузырьков в смоле. Дегазация в вакууме не помогает, так как ксилол начинает выкипать до устранения пузырьков воздуха. Это приводит к градиентам концентрации и снижению оптических свойств сцинтиллятора.
По сути, пластик представляет собой перенасыщенный раствор, фиксируемый смолой, и я не уверен в долгосрочной стабильности такого решения. В дальнейшем я еще поэкспериментирую с уменьшением свечения в кристалле и проверю реакцию на различные виды излучения.
Пока что мне удалось подтвердить, что эти сцинтилляторы реагируют на альфа-, бета- и гамма-волны. Еще нужно протестировать (быстрые) нейтроны, но мне кажется, что они будут реагировать на протон отдачи.
Несколько снимков эксперимента
Все отлитые на данный момент сцинтилляторы. Правый нижний – это мой полистирольный «образец»
Они же под УФ-излучением
Они же, но только в УФ
Небольшой сцинтиллятор с выпадающим из раствора п-терфенилом
Сцинтилляторы, созданные в этом эксперименте
Мой способ проверить их реакцию на окружающую среду
Заключение
Будет здорово, если вы попробуете создать свои собственные сцинтилляторы, поэкспериментируете с формулой и поделитесь своими достижениями (ссылка на оригинал статьи). Я считаю эти приборы отличным подспорьем в сфере любительского обнаружения излучения и уверен, что с их помощью можно реализовать массу интересных детекторов и экспериментов.
Автор: Дмитрий Брайт
