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.
