Spectral and luminescent characteristics of organic scintillators UPS-923A irradiated with ionizing radiation

Sh. Irisov; Ирисов Ш.; I. Nuritdinov; Нуритдинов И.; K. Kh. Saidahmedov; Саидахмедов К. Х.; Z. U. Esanov; Эсанов З. У.; B. S. Yuldashev; Юлдашев Б. С.

doi:10.31857/S2686740024010023

Спектрально-люминесцентные характеристики органических сцинтилляторов UPS-923A после воздействия ионизирующего излучения

Авторы: Ирисов Ш.¹, Нуритдинов И.¹, Саидахмедов К.Х.¹, Эсанов З.У.¹, Юлдашев Б.С.¹
Учреждения:
1. Институт ядерной физики Академии наук Узбекистана
Выпуск: Том 514, № 1 (2024)
Страницы: 14-19
Раздел: ФИЗИКА
URL: https://ogarev-online.ru/2686-7400/article/view/261420
DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740024010023
EDN: https://elibrary.ru/OUSJXG
ID: 261420

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Исследовано влияние гамма- и электронного облучения на оптическое и инфракрасное поглощения, а также на фотолюминесценцию образцов с полистирольной PS-основой и добавками pTP и POPOP. Обнаружено уменьшение интенсивности люминесценции облученных образцов в областях 300–380 нм и 380–500 нм, которое коррелирует с изменениями спектров инфракрасного поглощения образцов, что связано с деградацией структуры ароматического бензольного кольца в матрице полимерной основы и деструкцией добавок.

Ключевые слова

гамма-облучение, электронное облучение, оптическое поглощение, люминесценция, полистирол, pTP, POPOP, ароматическое бензольное кольцо, ИК-спектроскопия, структурные повреждения

Полный текст

Органические пластиковые сцинтилляторы из-за таких уникальных свойств, как высокое оптическое пропускание, быстрое время нарастания и затухания сцинтилляционного сигнала, широко используются как одни из базовых в детекторах высокоэнергичных ядерных частиц во всех современных ускорителях, а также в астрофизических и нейтринных экспериментах [1, 2], где генерация быстрых импульсов сигнала обеспечивает эффективный сбор данных. В связи с большой модернизацией LHC, строительством таких новых ускорителей, как NICA, FAIR, FCC и др., в последние годы интерес к исследованиям радиационно-стимулированных характеристик органических пластиковых сцинтилляторов (ОПС) сильно вырос [2]. Сцинтилляционные детекторы используются для определения энергий и восстановления пути частиц через процесс люминесценции за счет взаимодействия ионизирующего излучения со сцинтиллятором. По сравнению с неорганическими детекторами, органические пластиковые детекторы легко изготавливаются и, следовательно, экономически выгодны при покрытии больших площадей, например, детекторы ATLAS [3].

В процессе прохождения ионизирующей частицы через ОПС частица теряет свою энергию на ионизацию основы сцинтиллятора, а также на возбуждение молекул основы сцинтиллирующего материала. Энергия ионизирующих излучений через π-электроны передается молекулам основы, переведя их в более высокоэнергетические (возбужденные) состояния. Обратные переходы молекул из возбужденного в основное состояние, как правило, происходят через синглетное S₁- и, очень редко, через триплетное Т₁-состояние. В первом случае испускается флюоресценция – люминесценция с быстрым временем распада (τ~10⁻⁹–10⁻⁸ с), а во втором – фосфоресценция – люминесценция с медленным временем распада (τ~10⁻⁴ с) [2].

Обычно применяемые матрицы для ОПС – полистирол PS (C₈H₈)_n или поливинилтолуол PVT (C₉H₁₀)_n – характеризуются большим самопоглощением, т.е. испускаемая люминесценция почти полностью поглощается в самой матрице, и по этой причине для возбуждения сцинтилляции в матрицу добавляются активаторы – люминесцирующие добавки (ЛД). Энергия возбужденных молекул основы благодаря диполь-дипольным взаимодействиям безызлучательно передается молекулам активатора, в результате чего активаторы переходят в возбужденное состояние.

Наиболее часто применяемыми ЛД являются 1–2% PPO (C₁₅H₁₁NO), pTP (С₁₈H₁₄) и PBD (C₂₄H₂₂N₂O). При возвращении возбужденных молекул активатора в основное состояние испускаются фотоны люминесценции в области спектра около 370 нм. Однако их свечение расположено в неудобной для регистрации области спектра. Поэтому для смещения сцинтилляционного свечения в удобную для регистрации область используют спектросмещающие добавки типа 0.01–0.04% РОРОР (С₂₄Н₁₆N₂О), области возбуждения люминесценции которых перекрываются с областью свечения активаторов [2].

Взаимодействие ионизирующего излучения в полях радиации с пластиковыми сцинтилляторами приводит к деградации их свойств [4–6]. Согласно Сонкаваде и др. [7], в процессе облучения свойства сцинтилляторов существенно изменяются в зависимости от структуры материала мишени, плотности потока энергии, характера и вида излучения. Некоторые из этих структурных модификаций представляют собой разрыв полимерной цепи, усиление поперечного сшивания, разрыв существующих и образование новых химических связей. Эти повреждения приводят к значительному снижению светового выхода сцинтиллятора и, как следствие, к ошибкам в получаемых результатах.

Целью данной работы является исследование влияния гамма- и электронного облучения на оптическое и инфракрасное поглощения, а также на фотолюминесценцию (ФЛ) образцов органических сцинтилляторов UPS-923A, широко эксплуатируемых в физике высоких энергий в качестве детекторов, а также в других сферах науки и техники.

ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследуемые пластиковые сцинтилляторы состоят из полистироловой (С₈H₈)_n (PS) основы, легированной люминесцирующей добавкой 2% п-терфенилом С₁₈Н₁₄ (рTP) и спектросмещающей добавкой 0.03% дифенилоксазолилбензолом C₂₄H₁₆N₂O (POPOP) [2, 8]. Основа полистиролов представляет собой синтетическую структуру ароматических бензольных колец, которые влияют на сцинтилляционные свойства пластмассы. Образцы были приготовлены в Институте сцинтилляционных материалов (ИСМА, Харьков). Они были вырезаны и отшлифованы до размеров 3.2 × 3.2 см при толщине 2 мм.

Образцы облучались гамма-лучами источника ⁶⁰Со в гамма-установке бассейнового типа в пределах дозы 10⁵–10⁹ рад и электронами на ускорителе “Электроника У-003” с энергией электронов 2 МэВ (энергия электронов выбиралась с учетом толщины образца) и плотностью тока пучка 0.085 μ A/cм², при флюенсах электронов f~10¹⁶ э/cм². Оба облучения проведены в Институте ядерной физики АН РУз. Спектры оптического поглощения снимались на спектрофотометре Lambda 35 (PerkinElmer, США). Измерения спектров люминесценция проведены на флуоресцентном спектрофотометре Cary Eclipse в спектральной области 190–1100 нм. Спектры инфракрасного (ИК) поглощения регистрировали в спектральной области 400−4000 см⁻¹ на спектрометре (iS50 Nicolet, Thermoscience). Все измерения проведены при температуре 300 К.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Спектры оптического поглощения (ОП) всех исследуемых образцов до и после облучения представлены на рис. 1, край поглощения находится около 400 нм.

Рис. 1. Спектры поглощения исходного (1) и облученного электронами 1 ∙ 1015 cм–2 (2) и гамма-лучами дозой 107 рад (3) образцов UPS (a); разностные спектры (б) для 2 и 1 (4), 3 и 1 (5).

После гамма- и электронного облучения происходит увеличение интенсивности поглощения в видимой и ближней инфракрасной области спектра в виде широкой неэлементарной полосы поглощения (рис. 1а). На разностных спектрах гамма-облученных и исходных образцов обнаружены полосы поглощения с максимумами при 405, 470–500 и 520 нм (рис. 1б).

В спектрах ФЛ образцов UPS-923A в области длин волн 300–380 нм и 380–500 нм наблюдаются группы полос свечения (рис. 2а, б), относящихся к флуоресценции ЛД 2% п-терфенила С₁₈Н₁₄ (рTP) и спектросмещающей добавки 0.03% дифенилоксазолилбензола C₂₄H₁₆N₂O (POPOP) соответственно [2, 9]. Установлено, что после гамма- и электронного облучения образцов интенсивности обеих групп люминесценции уменьшаются, что может быть обусловлено деградацией структуры ароматического бензольного кольца в матрице полимерной основы и деструкцией структуры добавок.

Рис. 2. Спектры ФЛ, возбужденные на полосе 300 нм (а) и 350 нм (б) исходного (1), электронно-облученного с флюенсом 1016 э/см2 (2) и гамма-облученного дозой 107 рад (3).

Сопоставление спектров люминесценции необлученных и облученных образцов при возбуждении на 300 и 350 нм показало (рис. 3), что после облучения образцов ОПС гамма-лучами и электронами происходит уменьшение интенсивности люминесценции ЛД в области 300–380 нм и спектросмещающих добавок в области 380–500 нм. При этом свечение спектросмещающих добавок уменьшается сильнее, чем свечение ЛД.

Рис. 3. Нормированные спектры фотолюминесценции, возбужденные на полосе 300 нм (а) и 350 нм (б) исходного (1), электронно-облученного флюенсом 1016 э/см2 (2) и гамма-облученного дозой 107 рад (3).

Как известно [10], молекулы PPO и POPOP содержат два ароматических кольца, соединенных мостовой группой, и две фенильные группы (C₆H₅) на каждом кольце. Фенильные группы обусловливают поглощение света, а мостовая группа облегчает перенос возбужденного состояния на другие части молекулы. Кроме того, при облучении полимеров PS, PTP и POPOP наблюдается разрыв преимущественно химической связи С=Н как в группах СН₃и –СН=СН₂, так и в бензольных кольцах с образованием различных радикалов [2, 9]. Эти радикалы отчетливо проявляются в ИК-спектрах.

На рис. 4 приведены ИК-спектры облученных образцов. В разностных спектрах поглощения облученного и исходного образцов эти изменения четко видны, т.е. увеличение интенсивности одних линий и уменьшение других линий (рис. 4б). В облученных образцах видно увеличение интенсивности пика в диапазоне 450–1000 cм^–1. Пик при 500–650 cм^–1 соответствует пику колебаний алициклической или алифатической цепи (C–H) [11]. Рост интенсивности пика в диапазоне 450–1000 cм^–1 после облучения образцов может быть связан с увеличением числа связей С–Н в результате возможного нарушения структур ароматического бензольного кольца в матрице полимерной основы.

Рис. 4. ИК-спектры исходного (1), гамма-облученного дозой 107 рад (2) и электронно-облученного флюенсом 1016 э/cм2 (3) образцов UPS – 923A (а); разности спектров 2 и 1 (4), 3 и 1 (5) (б).

Эти повреждения, объясняющие причину снижения выхода люминесценции, более подробно описаны в работе Л. Торриси [12]. Повреждение бензольного кольца матрицы и добавки напрямую влияют на процесс сцинтилляции в материале.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, после гамма- и электронного облучения наблюдаются уменьшение интенсивности полос люминесценции в области 300–380 нм и 380–500 нм. Это связано с деградацией структур ароматического бензольного кольца в матрице полимерной основы и деструкцией в составе добавок. Нормированные спектры люминесценции показывают, что интенсивность свечения добавки (380–500 нм) уменьшается более сильно, чем свечение полистирола (300–380 нм) после облучения. Повреждение структур бензольного кольца и добавок приводит к снижению выхода люминесценции и может оказывать прямое влияние на процесс сцинтилляции в материале. ИК-спектры облученных образцов показывают, что изменение в спектрах поглощения может быть обусловлено увеличением числа радикальных связей, создаваемых в результате облучения.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарностью к.ф.-м.н. Х.Т. Назарову за помощь в регистрации спектров ИК-поглощения.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках бюджетной темы по Программе НИР Института ядерной физики АН РУз, Приложение №. 1 к Указу Президента Республики Узбекистан № 1. ПП-4526 от 21.11.2019.