Registration Number
0825U003786, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
28-10-2025
popup.evolution
.
Title
Development of ways to increase the radiation resistance of a plastic scintillator
Author
Оksana V. Yelisieieva,
popup.head Petro Zhmurin
popup.opponent Maksym V. Iurzhenko
popup.opponent Volodymyr A. Kushnir
popup.review Victor L. Cherginets
popup.review Yaroslav V. Gerasymov
popup.rada
Institute for Scintillation Materials of National Academy of Science of Ukraine
Description
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (галузь знань 13 – Механічна інженерія). – Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України, Харків, 2025.
Дисертація присвячена вирішенню питань підвищення радіаційної стійкості пластмасових сцинтиляторів на основі полістиролу.
У сучасних фізичних експериментах на Великому адронному колайдері радіаційні навантаження на сцинтилятор можуть сягати десятків Мрад, але традиційні пластмасові сцинтилятори на основі полістиролу, зазвичай, мають низький поріг радіаційної стійкості. Так, у відомих комерційно доступних пластмасових сцинтиляторів типу SCSN-81T (Kuraray, Японія), BC-408 (Bicron, США), UPS-923A та UPS-98RH (Amcrys-H, Україна) радіаційна стійкість складає лише 1–5 Мрад. Тому розроблення підходів підвищення радіаційної стійкості пластмасового сцинтилятору є важливою задачею.
У роботі було досліджено основні шляхи підвищення радіаційної стійкості пластмасового сцинтилятору.
Перший шлях – це застосування люмінесцентних добавок з великим зсувом Стоксу. Відомо, що під впливом іонізуючого випромінювання в традиційних полімерних основах пластмасового сцинтилятору утворюються пастки, які ефективно поглинають енергію в діапазоні від 300 нм до 480 нм. Для створення ефективного радіаційностійкого матеріалу потрібно оминути ці пастки, що і забезпечують добавки з великим зсувом Стоксу. У рамах даного підходу синтезовано ряд сцинтиляційних добавок з великим зсувом Стоксу – фтор-, феніл- та фторфенілпохідних 3-гідроксифлавону, що містять до чотирьох атомів фтору у різних положеннях молекули. Показано, що введення атомів фтору у молекули 3-гідроксифлавону та 4ʹ-феніл-3-гідроксифлавону суттєво не вливає на їх спектральні властивості. Отримані добавки використано як активатори полімерної основи пластмасового сцинтилятору. Їх застосування дозволило підвищити радіаційну стійкість матеріалу та отримати сцинтилятор, доза половинного ослаблення світлового виходу D1/2 якого складає 49 Мрад.
Другий шлях ґрунтується на введенні до складу пластмасового сцинтилятору підсилювачів дифузії, що підвищують рухливість вільних радикалів і тим самим зменшують пошкодження матеріалу. Цей шлях сприяє підвищенню радіаційної стійкості пластмасового сцинтилятору, проте призводить до значної деградації механічних властивостей та до зниження довготривалої стабільності. Для подолання цих недоліків до складу полімерної сцинтиляційної композиції вводять зшиваючий агент. У роботі показано, що одночасне застосування зшиваючого агенту та підсилювача дифузії в пластмасовому сцинтиляторі підвищують його радіаційну стійкість при збереженні світлового виходу та механічних властивостей на рівні, придатному для функціонального застосування. Так, отримано пластмасові сцинтилятори, що містять підсилювачі дифузії та зшиваючі агенти, D1/2 яких сягає 9,7 Мрад. Також створено сцинтиляційну композицію, що одночасно містить підсилювач дифузії, зшиваючий агент та похідне 3-гідроксифлавону. Таке поєднання дозволило суттєво підвищити радіаційну стійкість матеріалу (D1/2 = 37 Мрад).
В основі третього шляху знаходиться використання більш радіаційно-стійких полімерних основ і люмінесцентних добавок для створення пластмасових сцинтиляторів. У роботі досліджено можливість створення радіаційностійкого сцинтилятора на полісилоксановій основі. Так, отримано та вивчено ряд сцинтиляторів на полісилоксанових основах з різним вмістом фенільних груп. Також розроблено сцинтилятор на змішаних основах полістирол–поліфенілметилсилоксан, D1/2 якого складає 22 Мрад. До того ж проведено пошук і синтез активаторів, придатних для застосування в полісилоксановій основі. Отримано новий активатор для пластмасового сцинтилятору – 2,4,4ʹʹ-три-трет-бутил-1,1ʹ:4ʹ,1ʹʹ-терфеніл. Розроблено полісилоксанові сцинтиляційні композиції, D1/2 яких сягає 60 Мрад.
Наукові результати, що було отримано вперше:
1. Розроблено та отримано ряд нових люмінесцентних добавок з великим зсувом Стоксу – похідних 3-гідроксифлавону.
2. Показано, що введення одного або двох атомів фтору в будь-яку частину молекули 3-гідроксифлавону та його 4ʹ-фенілпохідного не впливає на характер спектрів люмінесценції. Максимум люмінесценції зазнає батофлорного зсуву на 5–10 нм лише після заміни чотирьох атомів водню на фтор. Часові характеристики сцинтиляційного імпульсу пластмасових сцинтиляторів, активованих фторпохідними 3-гідроксифлавону, що містять один, два або чотири атоми фтору, не зазнають змін, при цьому час загасання для всіх зразків становить 7,6 нс.
3. Продемонстровано, що використання фтор-, феніл- та фторфенілпохідних 3-гідроксифлавону як активаторів пластмасового сцинтилятору дозволяє суттєво збільшити його радіаційну стійкість та досягнути дози половинного ослаблення світлового виходу (D1/2) 49 Мрад.
Registration Date
2025-09-25
popup.nrat_date
2025-10-22 / 2026-07-01
