company_banner

Пластиковые сцинтилляторы – первый успех

Автор оригинала: Amateur Nuclear Physics
  • Перевод
  • Tutorial


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 лучи 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 сцинтиллятор, 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 и так 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.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Это первая научно-популярная статья данной тематики в нашем блоге. Интересно ли Вам продолжение?

  • 91,4%Да, интересно. Давай еще!159
  • 8,6%Нет, не интересно15
RUVDS.com
VDS/VPS-хостинг. Скидка 10% по коду HABR

Комментарии 27

    +10
    Будет здорово, если вы попробуете создать свои собственные сцинтилляторы
    О да, у нас тут у всех дома просто залежи терфенила, кумарина и ксилола впридачу с изотопами радия (хотя радий из светящихся компасов можно наковырять).
    Проще уж камеру Вильсона сделать.
    Хотя в связи с ковидом у меня куча оборудования перехала на дом и прямо под столом лежит рентгеновский плоскопанельный детектор — там сцинтиллятор на основе иодида цезия. Но у него световой выход невелик — вряд ли я что увижу без хорошего источника излучения.
    А вот корзина из видео, набитая измерительными модулями до боли напомнила КАМАК (хотя на видео не он):
    Эх, сколько времени я просидел в физтеховской лаборатории, глядя на эти лампочки…
      +1
      Шлейфы довольно креативные.
        0
        Мыло, может ты нам о себе чего-то не рассказываешь? (с)
          +3
          Я залез на рушим и 2/3 нашёл там. А остальное тоже вполне себе доставаемо. Так что собрать такую штуку не составит труда.
          Даже самый труднодоставаемый компонент: пара-Терфенил там есть в продаже!
            +1
            Ну я территориально в Германии и беглый поиск терфенила на амазоне и ебее не дал мне навскидку ничего. А заказав химию из-за границы, можно потом задолбаться объяснять таможне что это и зачем.
              +1
              Кроме ебея и амазона есть и другие сайты в интернете :). Можно на специализированных поискать.
          +4
          Отличные новости. Ждём отклик в виде статьи «DIY томограф на мягком рентгене».
            +3
            Строим локальную сеть на основе гамма-лазеров. ;)
              0
              Уровня кампуса, конечно.
                +6
                Да нет, это как раз самое то для города — 'что делать если на пути вашего лазерного линка ВНЕЗАПНО построили дом'…
                  0
                  Было у меня такое. Внезапно выросшая высотка в историческом центре города.
                    +4
                    Аналогично. Думается с этим сталкивались многие кто вообще имел дело с лазерными линками.

                    зы А еще был совершенно случайным и нерегулярным образом барахливший радиолинк. После очень долгих плясок с настройками и оборудованием прошлись по маршруту в промзоне, порасспрашивали, и таки обнаружили что там завелось деревообрабатывающее предприятие. С микроволновой сушилкой…
                    +3
                    Да нет, это как раз самое то для города — 'что делать если на пути вашего лазерного линка ВНЕЗАПНО построили дом'…

                    Очевидно же — увеличить мощность лазера!
                    Заголовок спойлера
                    image
                      0
                      Действительно, всё просто. Конструкция вполне подходящая, в мобильном исполнении, ведь достаточно разового включения, чтобы линк снова поднялся на стандартном оборудовании.
                  0
                  Да, курицу видел. Но там схема попроще, с люминофорным экраном. Со сцинтилляторами получится лучше, лучевая нагрузка меньше. Для начала достаточно нарезать 256 кубиков, главное чтобы отклик был хорошим. Ну и анатомия разная у пациента в стоячем и лежачем положении, если он не заморожен.
                +4
                Жду перевод с описанием создания дома источника альфа, бета и гамма излучений.
                  +3
                  Пылесосом через салфетку профильтруйте пару минут воздух, и бут вам весь набор.
                  +2
                  Пока что мне удалось подтвердить, что эти сцинтилляторы реагируют на альфа-, бета- и гамма-волны.

                  Если есть 2 (лучше 3) ФЭУ, можно собрать схему совпадений и попробовать ловить космику.
                    +2
                    было где-то фото детектора на нескольких длинных люминесцентных лампах
                    +3
                    Было бы интересно сделать, например, очки или контактные линзы, чтобы при повышении фона появлялась читаемая надпись «уходи отсюда»…
                      0
                      Достаточно эффекта попадания, как в игрушках — пульсирующего покраснения периметра линз.
                      0
                      «альфа/бета/нейтронные волны» — эээ, что?
                        +1
                        Есть такая штука — квантово волновой дуализм. С другой стороны ядра гелия и нейтроны имеют не очень выраженные волновые свойства, их не принято называть волнами. Электроны будут поволнистее.
                          0
                          Электроны ладно, верю. Но не в дозиметрии. Но нейтроны волнами считать, это через чур.
                            +1
                            Нейтроны также обладают волновыми свойствами, причем тепловые нейтроны обладают примерно такими же длинами волн, как и рентгеновские лучи от обычно применяемых антикатодов. Однако вследствие отсутствия у нейтронов электрического заряда они рассеиваются иначе, чем рентгеновские и электронные лучи. Нейтроны рассеиваются главным образом ядрами атомов.
                            Волновой характер имеют не только электроны, но также протоны, нейтроны (разд. 3.5) и другие частицы. Их длины волн можно рассчитать по уравнению де Бройля, подставляя в него соответствующие значения масс частиц.

                            Волновые свойства нейтрона
                            0
                            Я тоже сперва сомневался, правомерно ли волнами эти излучения назвать, решил, что да. Но раз уж возникло сомнение, то решил исправить на лучи, чтобы никого не смущать. Волны в этом контексте действительно не очень подходят. Просто тавтологии нужно было избежать.

                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                        Самое читаемое