Способ изготовления пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирольных гранул
METHOD OF PRODUCING PLASTIC SCINTILLATORS BASED ON POLYSTYRENE GRANULES

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для изготовления недорогих сцинтилляционных детекторов в самом широком диапазоне габаритных размеров и толщин. Такие детекторы могут найти применение в исследованиях по физике высоких энергий, ядерной физике и технических приложениях в том числе для создания многоканальных систем детекторов большой площади.
Известны такие способы изготовления пластмассовых сцинтилляторов на основе полистирольных, поливинилтолуольных и дугах типов гранул, как экструзия [Anna Pla-Dalmau, Alan. D Bross, Kerry L. Mellot. "Low cost extruded plastic scintillator". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 466 (2001) 482-491] и литье под давлением.
В первом случае промышленные экструдеры позволяют с большой производительностью в сотни кг/час получать сцинтилляционные полосы шириной до метра и толщиной до 10-15 мм. Однако дальнейшее увеличение толщин полос приводит к значительным трудностям, связанным с медленным остыванием полимера внутри толстых полос. Кроме того, при ширинах полос даже в десятки сантиметров экструдерная установка представляет собой огромный сложный агрегат длиной в десятки метров, доступный по рентабельности только специализированным предприятиям. Следует также отметить, что для изготовления сцинтилляторов нужных размеров из полос требуется дополнительная механическая обработка.
Во втором случае литьевых машин со впрыском до 1 кг производительность достигает нескольких десятков кг/час, но с увеличением толщины пластин более 10 мм также возникают трудности с охлаждением, а пластины метровых размеров могут быть изготовлены только с помощью громоздких литьевых машин в заводских условиях. Кроме того, при изменении формы сцинтилляторов требуется изготовление новых форм для впрыска, стоимость которых составляет десятки млн. рублей. Данный способ изготовления сцинтилляторов на основе гранул является наиболее близким к заявляемому способу и может быть выбран в качестве прототипа [V.K. Semenov."Large tonnage scintillator for cellular type calorimeters". Report on the IX All-Union Conference "Status and prospects of the development and application of scintillators and scintillation detectors in the XII Five-Year Plan". Abstracts. Kharkiv, Ukrainian Academy of Sciences, VNII Monocrystal, 1986, p. 86].
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, является создание способа изготовления пластмассовых сцинтилляторов на основе гранул, для реализации которого требуется значительно более простое и дешевое оборудование, чем в случаях аналога и прототипа, позволяющее в лабораторных условиях изготовлять сцинтилляторы с практически с любыми типоразмерами и достаточно высокой производительностью. Особенно актуальными открывающиеся возможности являются для случаев изготовления небольших партий сцинтилляторов, что является характерным при оснащении физических исследовательских установок. Действительно, при изменении типа гранул и в случае литьевых машин и особенно в случае экструдеров требуется дорогостоящие остановка и чистка оборудования до и после изготовления сцинтилляторов.
Техническим результатом заявленного способа является возможность получать сцинтилляционные полосы значительной толщины, с быстрым остыванием полимера внутри полосы, отсутствием дополнительной механической обработки, а так же возможностью изготовления новых недорогих форм для впрыска, при изменении формы сцинтилляторов.
Технический результат изобретения обеспечивается использованием последовательного вакуумирования и заполнения инертным газом рабочих объемов термопечей для получения сцинтилляторов с характеристиками аналогичными литьевым и экструдированным. Процесс изготовления сцинтилляторов из гранул проводится в открытых или замкнутых формах из полированной нержавеющей стали, заполняемых гранулами и определяющих форму сцинтилляционных изделий, а технический регламент нагрева печи включает вакуумирование ее рабочего объема и заполнение рабочего объема инертным газом. В случаях, когда верхняя поверхность изготавливаемых сцинтилляторов должна быть плоской и зеркальной формование такой поверхности осуществляется с помощью пуансонов с зеркальной поверхностью, размещаемых в формах и формующих плоскую поверхность под действием собственного веса пуансонов.
3
Пример 1. Изготовление сцинтилляционных полос с размерами 2660×60×10 мм
1. Неокрашенные полистирольные гранулы после сушки опудриваются мелкоразмолотыми сцинтилляционными добавками из расчета получения смеси гранул с 2% сцинтилляционного паратерфенила и 0,05% сцинтилляционного РОРОР (1,4-Бис(5-фенил-2-оксазолил)бензол).
2. Опудренные гранулы насыпаются в открытые сверху прямоугольные формы из полированной нержавеющей стали с внутренними размерами длины и ширины, учитывающими коэффициенты теплового расширения полистирола и металла. Высота рабочего объема формы составляет обычно не менее 40 мм, что необходимо для предотвращения выплескивания расплава гранул при плавлении.
3. В случае необходимости формовки сцинтилляторов с плоской и зеркальной верхней поверхностью в формах сверху насыпанных слоев опудренных гранул размещают пуансоны с плоской зеркальной формующей поверхностью.
-3
4. Необходимое количество форм для плавления помещаются в многосекционную вакуумную печь, после чего объем печи откачивается до вакуума не хуже 5×10 мм рт.ст. и включается нагрев нижней горизонтальной части внутреннего металлического корпуса печи, который автоматически поддерживается на уровне, обеспечивающим температуру этой части корпуса T=240°C.
-4
5. После достижения на верхней части внутреннего корпуса печи температуры в T=190°C и последующего нагрева в течение 1 часа печь заполняется аргоном высокой чистоты (примеси менее 10) под давлением в 1 избыточную атмосферу.
6. После наполнения печи аргоном нагрев продолжается еще три часа после чего он прекращается.
7. После охлаждения низа корпуса печи до температуры ниже T=100°C вакуумная печь откачивается, затем в печь впускается воздух и открывается ее передняя крышка для извлечения форм плавления с изготовленными сцинтилляционными полосами.
Все поверхности сцинтилляторов, изготовленных по заявляемому способу при использовании пуансонов, являются слепками поверхностей материала форм плавления и пуансонов - полированной нержавеющей стали то есть зеркальными. Что касается изготовления сцинтилляторов в формах с открытой верхней поверхностью, то при выполнении технического регламента она также получается зеркальной и в большинстве случаев не требует дополнительной механической обработки. Достоинствами использования открытых форм являются более простая конструкция форм, не требующая герметизации, отсутствие пуансонов и менее критичный технологический регламент.
3
Пример 2. Изготовление сцинтилляционных пластин с размерами 500×500×10 мм
1. Неокрашенные полистирольные гранулы после сушки опудриваются мелкоразмолотыми сцинтилляционными добавками из расчета получения смеси гранул с 2% сцинтилляционного паратерфенила 0,05% сцинтилляционного РОРОР (1,4-Бис(5-фенил-2-оксазолил)бензол).
2. Опудренные гранулы насыпаются в открытые сверху квадратные формы из полированной нержавеющей стали с внутренним размером стороны, учитывающим коэффициенты теплового расширения полистирола и металла. Высота рабочего объема формы составляет обычно не менее 100 мм, что необходимо для предотвращения выплескивания расплава гранул при плавлении.
-3
вн
3. Необходимое количество форм для плавления помещается, например, в промышленную вакуумную печь типа цилиндрической формы, после чего объем печи откачивается до вакуума не хуже 5×10 мм рт.ст. и включаются нагреватели, которые расположены по цилиндрической поверхности внутреннего корпуса печи, с помощью которых в рабочем объеме печи автоматически поддерживается температура на уровне Т=275°C.
вн
-4
4. При достижении температуры Т=275°C объем печи заполняется аргоном высокой чистоты (примеси менее 10) до атмосферного давления и нагрев продолжается в течение 10 часов.
вн
5. После 10 часов нагрева при температуре Т=275°C нагрев прекращается.
вн
6. При понижении температуры Т до 100°C рабочий объем печи откачивается, туда впускается воздух и вынимаются формы плавления со сцинтилляционными пластинами.
Основные характеристики изготовленных в печи сцинтилляторов не отличаются от характеристик сцинтилляционных полос из примера 1.