RU2267512C2 - Liquid scintillator - Google Patents

Abstract

FIELD: scintillation technique.

SUBSTANCE: invention relates to liquid scintillator that can be used for recording cosmic radiation. Invention describes a liquid scintillator comprising benzyl benzoate in combination with naphthalene and luminescent additive - 2-phenyl-5-(4-biphenylyl)-1,3,4-oxadiazole or 1,3,5-triphenyl-2-pyrazoline in the following ratio of components, wt.-%: benzyl benzoate, 84.0-87.0; naphthalene, 12.5-15.0; indicated luminescent additive, 0.4-0.7. The proposed scintillator shows high scintillation effectiveness, availability without toxic properties and fire hazard.

EFFECT: improved and valuable properties of scintillator.

1 tbl, 22 ex

Description

Изобретение относится к сцинтилляционной технике и может быть использовано для получения жидкого сцинтиллятора, который применяется в больших объемах для регистрации космических излучений.The invention relates to scintillation technology and can be used to obtain a liquid scintillator, which is used in large volumes for recording cosmic radiation.

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.Known liquid scintillator for this purpose [Voevodsky A.V., Dadykin V.L., Ryazhskaya O.G. On Sat Single crystals, scintillators and organic phosphors, 1969, issue 5, part 1, p.143-146], which contains an organic solvent and luminescent additives. White spirit was used as the solvent, and the luminescent additive was a mixture of 2,5-diphenyloxazole (PPO) with 1,4-bis (5-phenyl-2-oxazolyl) benzene (POPOP), the content of which is due to their low solubility in white Spirit is small and is, respectively, 0.1 and 0.03 wt.%. The scintillation efficiency of such a scintillator with respect to the generally accepted standard (0.4 wt.% Para-terphenyl and 0.01 wt.% POPOP in toluene) is 43%. Due to the low ignition temperature of white spirit (37 ° C), working with this scintillator is flammable.

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.Known liquid scintillator [and.with. USSR 172331, С 09 К 11/06], containing vaseline oil as a solvent, the same luminescent additives — PPO (0.5 wt.%) Or its mixture with POPOP (0.01 wt.%) And, in addition, as a carrier of electronic excitation energy, up to 10 wt.% naphthalene or 1-methylnaphthalene. Scintillation efficiency is 45-55%. The use of such a scintillator in large volumes is ineffective, since the low optical transparency of liquid paraffin makes it difficult to transfer energy to a luminescent additive. The time-consuming cleaning of liquid paraffin increases the cost of the scintillator and reduces its availability.

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.Also known is a liquid scintillator (Ukrainian patent No. 24971, G 01 T 1/204; RF patent No. 2094824), in which the organic solvent is a mixture of liquid paraffins - a fraction of the distillation of oil with a boiling point of 222-339 ° C - with the addition of an aromatic hydrocarbon - naphthalene, 1-methylnaphthalene, para-xylene. A feature of the scintillator based on liquid paraffins is the possibility of using in its composition, along with 2,5-diaryloxazoles, the much more available 1,3,5-triphenyl-2-pyrazoline. Liquid paraffins are less flammable than white spirit. But when they are obtained from oil fractions, it is necessary to work with oleum, which requires special equipment and significantly complicates safety procedures (see Technical Conditions of the Kremenchug Oil Refinery 38 of the Ukrainian SSR, 201.449-85). This limits the use of liquid paraffins in the preparation of scintillator used in large volumes.

В качестве прототипа нами выбран последний из аналогов.As a prototype, we have chosen the last of the analogues.

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.The basis of the invention is the task of creating a liquid scintillator, which, taking into account its purpose for working in large volumes, would be non-flammable, non-toxic and affordable with high scintillation efficiency.

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.%:The solution to this problem is provided by the fact that in a liquid scintillator containing a luminescent additive, naphthalene and an organic solvent according to the invention, as a luminescent additive, it contains 2-phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,3,4-oxadiazole or 1 , 3,5-triphenyl-2-pyrazoline, and as an organic solvent, benzyl benzoate in the following ratio, wt.%:

2-фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4-оксадиазол2-phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,3,4-oxadiazole   или 1,3,5-трифенил-2-пиразолин or 1,3,5-triphenyl-2-pyrazoline 0,4-0,70.4-0.7 нафталин naphthalene 12,5-15,012.5-15.0 бензилбензоат benzyl benzoate 84,0-87,084.0-87.0

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).Benzyl benzoate (A) is a non-toxic solvent (hazard class III; LD ₅₀ = 4000 mg / kg, LC ₅₀ = 1700 mg / l), manufactured by the industry as a tonnage product and used in medicine (pharmacopoeial article FS42U-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.Unlike the prototype, the aromatic and at the same time polar nature of the molecules of the proposed organic solvent provides a higher solubility in it of organic additives, higher scintillation efficiency.

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.The boiling point of benzyl benzoate is 323-324 ° С, the flash point of 156-158 ° С is much higher than that of liquid paraffins (98 ° С). The use of benzyl benzoate makes it possible to increase the content of naphthalene in the scintillator, which contributes to a higher scintillation efficiency, up to 15 wt.% Without falling out of the solution at room temperature, and up to 12.5 wt.% At - 5-7 ° C, while in a scintillator based on liquid paraffins dissolving up to 10 wt.% naphthalene, xylene is additionally added to this effect, which lowers the flash point and thereby increases the flammability, or completely replace naphthalene with xylene or less available 1-methylnaphthalene.

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.The use of benzyl benzoate as an organic solvent made it possible to use a luminescent additive other than in the prototype, more affordable, but not soluble in liquid paraffins, namely 2-phenyl-5- (4-biphenylyl) -oxadiazole (RVD); while the scintillation efficiency is 79-82%, and the use of the one in the prototype, also available luminescent additives - 1,3,5-triphenyl-2-pyrazoline (TPP) provided an increase in scintillation efficiency up to 80%, in contrast to the prototype, where it is much lower.

В таблице приведены сравнительные данные заявляемого сцинтиллятора и прототипа.The table shows the comparative data of the inventive scintillator and prototype.

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.Example 1. 845 g (84.5 wt.%) Benzyl benzoate is poured into a container, 150 g (15 wt.%) Naphthalene and 5 g (0.5 wt.%) 1,3,5-triphenyl-2 are dissolved in it -pyrazoline, until complete dissolution of the luminescent additive.

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.The scintillator luminescence spectra were measured, as in the prototype, on a setup consisting of a ZMR-3 mirror monochromator, an FEU-18 optical radiation receiver, and an M-95 microammeter. Photoluminescence was excited by a SVDSH-500 lamp, from the spectrum of which light with a wavelength of 313 nm was isolated by a quartz monochromator.

Максимум люминесценции (λ_{макс.люм.}) 455 нм.The maximum luminescence (λ _{max. Lum.} ) 455 nm.

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).The scintillation efficiency, as in the prototype, was determined by the average photocurrent of the FEU-13A when the scintillator was exposed to a ¹³⁷ Cs radioactive source relative to the standard solution (0.4 wt.% Para-terphenyl and 0.01 wt.% POPOP in toluene) .

Сцинтилляционная эффективность (I_сц) 80%.Scintillation efficiency (I _sc ) 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.Example 2. In a similar manner, a scintillator is prepared from 846 g (84.6 wt.%) Benzylbenzonate, 150 g (15 wt.%) Naphthalene and 4 g (0.4 wt.%) 2-phenyl-5- (4-biphenylyl ) -1,3,4-oxadiazole.

Максимум люминесценции (λ_{макс.люм.}) 375 нм.The maximum luminescence (λ _{max. Lum.} ) 375 nm.

Сцинтилляционная эффективность (I_сц) 82%.Scintillation efficiency (I _sc ) 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.These and other examples are given in the table, which shows that going beyond the limit values of the parameters that are the subject of the application (table, compositions 1-4, 12-14) leads to a decrease in scintillation efficiency.

Использование люминесцентной добавки в количестве, превышающем верхние значения заявки, нецелесообразно, так как не дает положительных результатов (таблица, составы 11, 17).The use of a luminescent additive in an amount exceeding the upper values of the application is impractical, since it does not give positive results (table, compositions 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.The use of accessible, non-toxic and non-flammable benzyl benzoate as a scintillation solvent in combination with naphthalene and luminescent additives - 1,3,5-triphenyl-2-pyrazoline and 2-phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,3,4-oxadiazole - makes it possible to increase scintillation efficiency by 1.3-1.6 times and, which is very important when working with large volumes of scintillator, to reduce its toxicity and flammability.

ТаблицаTable   Содержание компонентов, мас.%The content of components, wt.% λ_{макс.люм.} λ _max. I_сц I _sc БензилбензоатBenzyl benzoate НафталинNaphthalene ТРРTPP РВДRVD 1one 91,491.4 8,08.0 0,60.6 -- 455455 6868 22 89,589.5 10,010.0 0,50.5 -- 455455 7070 33 87,287.2 12,512.5 0,30.3 -- 455455 7070 4four 82,682.6 17,0*17.0 * 0,40.4 -- 455455 -- 55 87,087.0 12,512.5 0,50.5 -- 455455 7878 66 86,986.9 12,512.5 0,60.6 -- 455455 7979 77 85,485,4 14,014.0 0,60.6 -- 455455 8080 88 84,584.5 15,015.0 0,50.5 -- 455455 8080 99 84,484,4 15,015.0 0,60.6 -- 455455 8080 1010 84,384.3 15,015.0 0,70.7 -- 455455 8080 11eleven 84,284.2 15,015.0 0,80.8 -- 455455 7878 1212 91,591.5 8,08.0 -- 0,50.5 375375 7272 1313 84,784.7 15,015.0 -- 0,30.3 375375 7070 14fourteen 89,589.5 10,010.0 -- 0,50.5 375375 7272 15fifteen 89,389.3 10,010.0 -- 0,70.7 375375 7575 1616 86,986.9 12,512.5 -- 0,60.6 375375 8080 1717 86,786.7 12,512.5 -- 0,80.8 375375 7878 18eighteen 84,684.6 15,015.0 -- 0,40.4 375375 8282 1919 84,484,4 15,015.0 -- 0,60.6 375375 8282 20twenty 84,384.3 15,015.0 -- 0,70.7 375375 7979 ПрототипPrototype 2121 94,5**94.5 ** 5,05,0 0,50.5 -- 435435 5252 2222 89,5**89.5 ** 10,010.0 0,50.5 -- 440440 6464 * Не полностью растворяется в бензилбензоате.
** Жидкие парафины* Not completely soluble in benzyl benzoate.
** Liquid paraffins

Claims (1)

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.%:A liquid scintillator containing a luminescent additive, naphthalene and an organic solvent, characterized in that as a luminescent additive it contains 2-phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,3,4-oxadiazole or 1,3,5-triphenyl- 2-pyrazoline, and as an organic solvent, benzyl benzoate in the following ratio of components, wt.%: 2-Фенил-5-(4-бифенилил)-1,3,4-оксадиазол2-phenyl-5- (4-biphenylyl) -1,3,4-oxadiazole   или 1,3,5-трифенил-2-пиразолин or 1,3,5-triphenyl-2-pyrazoline 0,4-0,70.4-0.7 Нафталин Naphthalene 12,5-15,012.5-15.0 Бензилбензоат Benzyl benzoate 84,0-87,084.0-87.0