CN113583358B - 一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体及其制备方法和应用。所述中子伽马甄别塑料闪烁体由闪烁体基质，主荧光染料、次级荧光染料组成，所述闪烁体基质为甲基丙烯酸甲酯‑苯乙烯共聚物，所述主荧光染料为PPO，所述次级荧光染料选自DPA或POPOP。发明人意外的发现，在基质中引入甲基丙烯酸甲酯不仅可以提高塑料闪烁体有透光性，而且可以提高塑料闪烁体的机械强度。相比现有商用的同类塑料闪烁体，本发明所制备的闪烁体具有优异的中子/伽马甄别能力，机械强度高，从紫外到可见光波长范围内均具有良好的光学透明性。

Description

一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体及 其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体及其制备方法，属于核技术及应用领域。
背景技术
在核物理实验、散裂中子源、核裂变/聚变反应堆、核天体过程等产生中子、伽马射线混合脉冲的辐射场，中子探测及中子/伽马(n/γ)甄别对中子能谱及中子束流强度监测具有十分重要的意义。目前现有商用闪烁体难以满足在各类物理场中的应用需求，存在n/γ甄别能力有限、机械强度和光学透明度等不足的缺点。因此，研制新型高灵敏度探测、高光学透明性的n/γ甄别闪烁体探测器具有很现实的意义。中子、伽马射线的甄别直接涉及到中子通量及能谱测量的精度和效率问题，早在上世纪50年代末人们就开始了对此问题的研究。截止日前，人们已经提出了多种有效的n-γ甄别方法。这些甄别方法按基本原理可以分为两类：飞行时间法(Time-of-Flight,TOF)和脉冲形状甄别法(Pulse ShapeDiscrimination,PSD)；前者测量精度很高但难以扣除偶然的背景事件且需要精确的起、止时间测量；而PSD方法因为有上升时间法和电荷比较法等可被现代高速ADC、DSP、FPGA数字处理器进行数字信号处理的方法，因此目前应用最为广泛；无论是中子还是伽马(γ)射线，都会在闪烁体探测器中通过损失能量激发荧光材料分子产生快、慢两个脉冲成分，其中快信号脉冲(<10ns)是闪烁体中处于激发单态(S1)的电子直接退激到基态产生的，慢信号脉冲(～2μs)则是由闪烁晶体中两三重态激元(Triplet exciton,T1)作扩散运动碰撞而淹灭形成的准分子态(S0+S1)作退激辐射所生成。但因为中子的慢成分所占份额比伽马射线的大，PSD方法正是利用这样的差异在在探测器脉冲信号的脉冲幅度积分谱上区别中子和伽马射线；其中，用来度量探测器n-γ射线甄别能力的一个量就是所谓的优化因子(Figureof Merit,FoM)，它的定义是闪烁体探测器获取的两中子、伽马射线信号脉冲幅度峰位间距与这两峰半高全宽之和的比值。
最开始人们发现苯、蒽等单晶具有n/射线甄别能力，但随后液体闪烁体如BC501A等的研制与成功应用，揭示了非晶态如塑料闪烁体也是可以甄别脉冲辐射场中子和伽马射线的。首次证明固态塑料闪烁体具有PSD甄别能力的是1960年F.Brooks的工作，但Brooks当时并没有对制备的“plastic 77”为何具有PSD甄别能力给出解释，而且也因为该闪烁体的不稳定性给此后人们留下的印象是“弱n-γ甄别能力”。直到2011-2012年间，来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的N.Zaitseva及其合作者实验以甲基苯乙烯基作为基质材料，添加PPO(化学英文名：2,5-Diphenyloxazole)、DPA(化学英文名：9,10-Diphenylanthracene)分别作为慢成分增强的主荧光染料及移波剂，具体阐述了固态塑料闪烁体是可以通过增加荧光染料来增强其n/甄别能力的。随后他们与Eljen Tech.公司合作，研发了EJ299、EJ276系列固态塑料闪烁体探测器，从此固态塑料闪烁体n-γ射线甄别能力的研究与探测器研制工作开始受到人们的重视。目前，可用于n/γ甄别的闪烁体按物质形态可分为三类，即气体、液态和固体态闪烁体；气体和液体闪烁体n/γ甄别能力普遍较好，但气体闪烁体探测器如3He正比计数管成本昂贵，液体闪烁体如BC301等具有挥发毒性且不能根据需求制备成不同形状；相比之下，固态闪烁体不但能良好地甄别中子和伽马射线，且制备成本低、机械强度好并易于操作。因此，固态塑料闪烁体是目前n/γ甄别探测器研制热点(N.P.Zaitseva a,A.M.Glenn,A.N.Mabe,et al.Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A 889(2018)97–104)。
在已报道或商用的塑料闪烁体中，常用的基质主要是聚苯乙烯(PS)、聚乙烯基甲苯(PVT)两类；然而，若仅含这些纯基质的塑料闪烁体存在脆裂、机械强度和荧光量子效率不高等缺点。
发明内容
针对现有塑料闪烁体n/γ甄别存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有高透光性和机械强度、高稳定性以及具有优良n/γ甄别性能的中子伽马甄别塑料闪烁体及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体，所述中子伽马甄别塑料闪烁体由闪烁体基质，主荧光染料、次级荧光染料组成，所述闪烁体基质为甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物(MMA-St)，所述主荧光染料为2,5-二苯基噁唑(PPO)，所述次级荧光染料选自9,10-二苯基蒽(DPA)或1,4-二(5-苯基-2-噁唑基)苯(POPOP)。
本发明的中子伽马甄别塑料闪烁体以甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物为基质，发明人意外的发现，在基质中引入甲基丙烯酸甲酯不仅可以提高塑料闪烁体有透光性，而且可以提高塑料闪烁体的机械强度。
而含有大量电子共轭键结构的有机化学物PPO具有强自旋轨道相互作用力，可实现激发能从基质中到其分子中电子能级的能量转移，荧光发射峰在365nm处，因此，本发明以PPO作为主荧光染料，而为了避免掺杂高浓度的染料(主染料染料)会导致自吸收效应，减弱荧光发射强度，引入少量次荧光染料，吸收主荧光染料发射的荧光，并以更长波长的荧光发射荧光光谱，减弱自吸收效应。
本发明通过大量的实验，以甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物为基质，PPO作为主荧光染料，次级荧光染料选自DPA、POPOP中的一种，在上述物料的协同作用下，使得中子伽马甄别塑料闪烁体在混合脉冲辐射场中的中子伽马甄别能力，同时也具有良好的光学性能、机械强度和稳定性。
优选的方案，所述甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物由甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚获得，所述甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物中，甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10～90wt.％，优选为60～80％，进一步优选为80％。
发明人发现，当闪烁体中添加的MMA基质浓度在上述优选范围中，最终所制备的塑料闪烁体荧光强度最优。
优选的方案，所述主荧光染料在中子伽马甄别塑料闪烁体中的质量分数为25～30wt.％。
优选的方案，所述移波剂DPA或POPOP在塑料闪烁体中的质量分数为0.01～0.04wt.％。
在本发明中，所加入的主荧光染料质量占比较大，这是由于本发明中需要高浓度的染料掺杂，增加三重态-三重态碰撞概率，以将从基质捕获的能量转移到主荧光染料分子上，再转移到次级荧光染料分子上(移波剂)。添加DPA或POPOP低掺杂浓度的次级荧光染料，可以在提高闪烁体透明度和长期稳定性的同时，实现主荧光染料中三重态分子的能量转移，从而减少其本身的自吸收效应。
在本发明中，荧光染料PPO、DPA或POPOP等的加入量需要精准控制；过量添加荧光染料将导致染料分子析出并沉淀于闪烁体底部或悬浮于闪烁体中，使塑料闪烁体透明度、机械强度和稳定性变差并呈现黄色。添加太少量的荧光染料，将使闪烁体荧光强度不足，n/γ脉冲形状甄别品质因子FoM值低，不能甄别中子和伽马射线。
本发明一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，包括如下步骤：配取DPA或POPOP中的一种、苯乙烯、PPO获得溶液A；配取甲基丙烯酸甲酯和AIBN，混合获得溶液B；将溶液A与溶液B混合获得前驱体溶液，将前驱体溶液净化处理，所述净化处理为于液氮下冷冻凝固，再抽取真空，然后再于保护气氛下升温至室温获得前驱体溶液，重复净化处理≥1次，然后于真空环境下进行聚合反应，得到中子伽马甄别塑料闪烁体。
在本发明中，在聚合反应之前先对前驱体溶液进行净化处理，发明人发现，通过该操作，可以使最终反应的所得产物的性能最优。
优选的方案，所述苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯的质量比为90～10:10～90，优选为20～40:80～60，优选为20:80。
发明人发现，将甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯的质量比控制在上优选范围，可以得到均匀透明、高荧光发射强度和n/γ甄别性能的塑料闪烁体。在本发明中，将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的质量比进一步优选为20：80，此时的性能最优，上述质量比代表的是基质苯乙烯(St)单体、甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体共聚反应时的质量比。根据不同应用要求，St/MMA的质量比可由所述A溶液和B溶液的量进行调节。
优选的方案，所述前驱体溶液中，PPO的质量分数为25～30wt.％，DPA或POPOP的质量分数为0.01～0.04wt.％。
优选的方案，所述前驱体溶液中，偶氮二异丁睛(AIBN)的质量分数为0.01～0.05wt.％。
优选的方案，所述保护气氛为氩气。
优选的方案，所述重复净化处理3次。
优选的方案，所述聚合反应过程为：先于40～50℃温度下，保温36～48h；再以3～5℃/h的速度升温至100～105℃，保温36～48h；然后以3～5℃/h降温至45～50℃，再保温6～12h。保温之后自然冷却至室温。
本发明的聚合过程，通过控制升温步骤，可以确保基质中的两种单体完全反应，整个聚合反应过程能够充分且平缓地进行。另外在升、降温期间采用梯度升降温方式，避免已成型的闪烁体因为温度的快速变化过程而发生开裂和微裂纹产生，确保塑料闪烁体性能在优化的状态。
发明人发现，在降温的过程中也需要进行保温，才能够使得聚合反应充分，最终获得最佳的机械性能；而若在降温的过程中不保温，及时增加升温过程中以及最高温的保温时间，同样无法获得本发明上述聚合反应程序带来的优异性能。
在实际操作过程中，所述塑料闪烁体在应用中，需要先对其表面进行抛光打磨。
本发明一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的应用，将所述中子伽马甄别塑料闪烁体应用于由中子、伽马射线混合的脉冲辐射场中子探测。
原理与优势：
本发明中，引入芳香基苯乙烯和可改善光学特性和机械强度的甲基丙烯酸甲酯进行共聚反应，同时相比纯苯乙烯基质，添加一定量的甲基丙烯酸甲酯能够实现基质荧光发射波长红移40.0-50.0nm从而增强荧光发射；掺杂高溶解性的极性荧光染料PPO，提高荧光染料三重态-三重态碰撞湮灭几率；掺杂次级荧光染料DPA或POPOP，可以避免高浓度主荧光染料的自吸收效应，更适应于后端光电转换器件的光谱匹配性。
本发明的能量转移过程表述如下：将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和苯乙烯(St)作为能量给体(主要是St)，PPO作为第一能量接受体和单/三重态捕获剂，DPA或POPOP作为第二能量受体。
本发明的优点和效果是：主要在苯乙烯(St)分子作用下，不同入射粒子(中子、伽马射线等)因为弹性散射、光电效应的作用过程而损失能量；相比伽马射线，中子在闪烁体基质中产生三重态密度更大，从而在荧光成分中慢成分所占份额更高，这是区分中子和伽马的关键。甲基丙烯酸甲酯(MMA)量子效率高，它的添加可确保闪烁体良好的光学透明性和对荧光染料的溶解性，从而进一步优化闪烁体性能。在甲基丙烯酸甲酯的作用下，所制备的塑料闪烁体具有优良的均匀性、稳定性、高机械强度和耐久性，商业化应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例1-7的发射光谱图。
图2为本发明实施例6的激发-发射光谱图。
图3为本发明实施例1-6的紫外-可见光透过率谱图。
图4为本发明实施例在可见光下拍摄得到的样品图。
图5为本发明实施例1-6的PSD图谱和对应的在Y轴上投影得到FoM值图谱。
图6为本发明实例1-6的FoM值走势图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明MMA/St/PPO/DPA塑料闪烁体的制备进一步说明。
实施例1
(1)按质量百分比将1.5g的主荧光染料2,5-二苯基噁唑(PPO)、0.01g的移波剂9,10-二苯基蒽(DPA)、0.0025g的引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)和5.0g的苯乙烯(St)混合并搅拌均匀形成溶液记为溶液A；将搅拌均匀的A混合溶液超声分散染料分子，得到St/PPO/DPA前驱体溶液。其中苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯质量比为100:0。
(2)将前驱体溶液加入预先定制成形的玻璃试管中，加入液氮以使液体凝固，然后先抽真空2.0min，再于氩气保护下融化成液态；重复上述操作至少3次，最后在真空条件密封。
(3)先于50℃下，保温48h，然后每1h升5℃至100℃，保温72h。然后以5℃/h降温至50℃，再保温48h。将聚合完全的样品表面磨平抛光得到St/PPO/DPA塑料闪烁体。在光谱测试中，PPO的荧光峰值为365nm，DPA荧光发射峰值为412nm和432nm；以252Cf中子放射源测试，得到脉冲形状甄别品质因子FoM＝1.68±0.01。塑闪内部无气泡，透明度高。
实施例2
(1)按质量百分比将1.5g的主荧光染料2,5-二苯基噁唑(PPO)、0.01g的移波剂9,10-二苯基蒽(DPA)和4.0g的苯乙烯(St)混合并搅拌均匀形成溶液记为溶液A；称取0.0025g的引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)和1.0g的甲基丙烯酸甲酯(MMA)记为溶液B。最后将A溶液与B溶液混合并超声均匀染料分子，得到MMA/St/PPO/DPA前驱体溶液。其中苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的质量比为80:20。
(2)将前驱体溶液加入预先定制成形的玻璃试管中，加入液氮以使液体凝固，然后先抽真空2.0min，再于氩气保护下融化成液态；重复上述操作至少3次，最后在真空条件密封。
(3)先于50℃下，保温48h，然后每1h升5℃升至100℃，保温72h。然后以5℃/h降温至50℃，再保温48h；将聚合完全的样品表面磨平抛光得到MMA/St/PPO/DPA塑料闪烁体。在MMA-St中，PPO的荧光峰值为365nm，DPA荧光发射峰值为412nm和432nm；塑闪内部无气泡，透明度高。
实施例3
(1)按质量百分比将1.5g的主荧光染料2,5-二苯基噁唑(PPO)、0.01g的移波剂9,10-二苯基蒽(DPA)和3.0g的苯乙烯(St)混合并搅拌均匀形成溶液A；称取0.0025g的引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)和2.0g的甲基丙烯酸甲酯(MMA)记为溶液B。最后将A溶液与B溶液混合并超声均匀染料分子，得到MMA/St/PPO/DPA前驱体溶液。其中苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的质量比为60:40。
(2)将前驱体溶液加入预先定制成形的玻璃试管中，加入液氮以使液体凝固，然后先抽真空2.0min，再于氩气保护下融化成液态；重复上述操作至少3次，最后在真空条件密封。
(3)先于50℃下，保温48h，然后每1h升5℃升至100℃，保温72h。然后以5℃/h降温至50℃，再保温48h。将聚合完全的样品表面磨平抛光得到MMA/St/PPO/DPA塑料闪烁体。在MMA-St中，PPO的荧光峰值为365nm，DPA荧光发射峰值为412nm和432nm。以252Cf中子放射源测试，得到脉冲形状甄别品质因子FoM＝1.19±0.01。塑闪内部无气泡，透明度高。
实施例4
(1)按质量百分比将1.5g的主荧光染料2,5-二苯基噁唑(PPO)、0.01g的移波剂9,10-二苯基蒽(DPA)和2.5g的苯乙烯(St)混合并搅拌均匀形成溶液记为溶液A；称取0.0025g的引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)和2.5g的甲基丙烯酸甲酯(MMA)记为溶液B。最后将A溶液与B溶液混合并超声均匀染料分子，得到MMA/St/PPO/DPA前驱体溶液。其中苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的质量比为50:50。
(2)将前驱体溶液加入预先定制成形的玻璃试管中，加入液氮以使液体凝固，然后先抽真空2.0min，再于氩气保护下融化成液态；重复上述操作至少3次，最后在真空条件密封。
(3)先于50℃下，保温48h，然后每1h升5℃升至100℃，保温72h。然后以5℃/h降温至50℃，再保温48h。将聚合完全的样品表面磨平抛光得到MMA/St/PPO/DPA塑料闪烁体。在MMA-St中，PPO的荧光峰值为365nm，DPA荧光发射峰值为412nm和432nm。以252Cf中子放射源测试，得到脉冲形状甄别品质因子FoM＝1.09±0.01。塑闪内部无气泡，透明度高。
实施例5
(1)按质量百分比将1.5g的主荧光染料2,5-二苯基噁唑(PPO)、0.01g的移波剂9,10-二苯基蒽(DPA)和2.0g的苯乙烯(St)混合并搅拌均匀形成溶液记为溶液A；称取0.0025g的引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)和3.0g的甲基丙烯酸甲酯(MMA)记为溶液B。最后将A溶液与B溶液混合并超声均匀染料分子，得到MMA/St/PPO/DPA前驱体溶液。其中苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的质量比为40:60。
(2)将前驱体溶液加入预先定制成形的玻璃试管中，加入液氮以使液体凝固，然后先抽真空2.0min，再于氩气保护下融化成液态；重复上述操作至少3次，最后在真空条件密封。
(3)先于50℃下，保温48h，然后每1h升5℃升至100℃，保温72h。然后以5℃/h降温至50℃，再保温48h。将聚合完全的样品表面磨平抛光得到MMA/St/PPO/DPA塑料闪烁体。在MMA-St中，PPO的荧光峰值为365nm，DPA荧光发射峰值为412nm和432nm。以252Cf中子放射源测试，得到脉冲形状甄别品质因子FoM＝1.01±0.01。塑闪内部无气泡，透明度高。
实施例6
(1)按质量百分比将1.5g的主荧光染料2,5-二苯基噁唑(PPO)、0.01g的移波剂9,10-二苯基蒽(DPA)和1.0g的苯乙烯(St)混合并搅拌均匀形成溶液记为溶液A，称取0.0025g的引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)和4.0g的甲基丙烯酸甲酯(MMA)记为溶液B。最后将A溶液与B溶液混合并超声均匀染料分子，得到MMA/St/PPO/DPA前驱体溶液。其中苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的质量比为20:80。
(2)将前驱体溶液加入预先定制成形的玻璃试管中，加入液氮以使液体凝固，然后先抽真空2.0min，再于氩气保护下融化成液态；重复上述操作至少3次，最后在真空条件密封。
(3)先于50℃下，保温48h，然后每1h升5℃升至100℃，保温72h。然后以5℃/h降温至50℃，再保温48h。将聚合完全的样品表面磨平抛光得到MMA/St/PPO/DPA塑料闪烁体。在MMA-St中，PPO的荧光峰值为365nm，DPA荧光发射峰值为412nm和432nm。以252Cf中子放射源测试，得到脉冲形状甄别品质因子FoM＝0.99±0.01。塑闪内部无气泡，透明度高。
实施例7
(1)按质量百分比将1.5g的主荧光染料2,5-二苯基噁唑(PPO)、0.01g的移波剂9,10-二苯基蒽(DPA)和0.5g的苯乙烯(St)混合并搅拌均匀形成溶液记为溶液A，称取0.0025g的引发剂偶氮二异丁睛(AIBN)和4.5g的甲基丙烯酸甲酯(MMA)记为溶液B。最后将A溶液与B溶液混合并超声均匀染料分子，得到MMA/St/PPO/DPA前驱体溶液。其中苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯的质量比为10:90。
(2)将前驱体溶液加入预先定制成形的玻璃试管中，加入液氮以使液体凝固，然后先抽真空2.0min，再于氩气保护下融化成液态；重复上述操作至少3次，最后在真空条件密封。
(3)先于50℃下，保温48h，然后每1h升5℃升至100℃，保温72h。然后以5℃/h降温至50℃，再保温48h。将聚合完全的样品表面磨平抛光得到MMA/St/PPO/DPA塑料闪烁体。在MMA-St中，PPO的荧光峰值为365nm，DPA荧光发射峰值为412nm和432nm。塑闪内部无气泡，透明度高。
以下是基于实施例1-7中所得的塑料闪烁体的激发-荧光光谱和衰减曲线分析：
1.激发-荧光光谱分析
图1是实施例1-7的荧光发射谱图；由图可见，在412.0nm和432.0nm处出现了DPA的特征蓝光发射峰，同时也在365.0nm处观察到PPO的荧光峰，说明主荧光染料PPO的荧光发射没有完全被次级荧光染料DPA吸收；但通过荧光强度分析表明，大部分荧光已经共振能量转移使得PPO荧光红移到蓝光波段。同时分析得出，闪烁体的荧光强度值先随MMA浓度由0％增加至80％时，逐渐达到最高值，后开始降低。
图2为实施例6的激发-发射荧光谱图。选取荧光强度最高、MMA质量占基质总质量80％的闪烁体样品进行激发-发射荧光光谱分析。从图中可以得出，在275.0nm、368.0nm和388.0nm处有三个激发峰，275.0nm处可归因于MMA的荧光吸收，368.0nm和388.0nm前者归因于MMA-St基质到PPO的非辐射能量转移，后者归因于PPO和DPA的荧光能量共振转移。相比于纯St基质的激发380.0nm和396.0nm来说，MMA的引入使两激发峰发生了蓝移，因而这是减弱荧光能量转移效率的原因之一。
2.紫外-可见光透过率分析
紫外-可见光透过性能对塑料闪烁体的闪烁发光性能有很大影响，其直接反映了塑料闪烁体基质的自吸收性能和自身发光效率。如图3所示，选取几个不同MMA浓度的塑料闪烁体和一个作为对比的商用塑料闪烁体EJ-276；对于200-415nm波段光谱，闪烁体有强烈的吸收作用，透射率小于15％；在大于440nm的波段，塑料闪烁体的自吸收效应小，闪烁体光谱透过率在80％以上，显示出了具有良好的光学透明性。同时可以看出，在不含MMA时闪烁体透过率最差，证明MMA的掺入明显改善了基质的透光性。以450nm处为例，MMA含量为50％和80％的闪烁体透过率达到最大约85％，而不含MMA的闪烁体透过率仅为72％。
3.脉冲形状甄别性能表征
图5所示，基质为仅含苯乙烯状态下(f)0wt.％时的闪烁体经252Cf放射性中子源测试，其PSD图谱(左)和其在Y轴上投影得到的计数谱(右)；对右图高斯拟合得出其品质因子FoM值为1.68±0.01。
图5所示。图(a)80wt.％、(b)60wt.％、(c)50wt.％、(d)40wt.％、(e)20wt.％、(f)0wt.％分别表示MMA在总基质中所占的相应质量分数时的闪烁体PSD图谱(上排图)及其在Y轴上投影得到的计数谱(下排图)。以252Cf(活度1.0×1017cps/sr)作放射源，对80-1000能量道数范围内获得的所有事件作积分。如图5(a)所示，MMA在闪烁体基质中含量最大时(实施例6)，表现出较低的FoM值(0.99±0.01)。随着MMA含量减少而带有芳香环的St基质增加，闪烁体n/γ甄别能力逐渐提升。因此，合理的调整MMA与St的质量比值至关重要，影响激发能从激发基质到染料分子的共振能量转移(FRET)过程。FoM值是通过对PSD图在Y轴上的投影并进行高斯拟合得到的。
图6所示，从点线图中可以更直观的看出，闪烁体的FoM值随MMA浓度的增加而降低，原因在于随着MMA含量的增加而有利于荧光共振能量转移的St基质含量减少。进一步的表征将会对其紫外-可见光透过率进行分析，并结合图1和图3得到更优异的基质配比浓度。
实施例8
其他条件均与实施例1相同，仅是添加含量为20％的基质MMA。经计算得出FoM值为1.27。在450nm处，透光率较实施例1提升8.1％。以432nm处的发射为例，荧光强度提升12.76％。
实施例9
其他条件均与实施例1相同，仅是添加基质含量为40％的MMA。经计算得出FoM值为1.19。在450nm处，透光率较实施例1提升5.2％。以432nm处的发射为例，荧光强度提升16.34％。
实施例10
其他条件均与实施例1相同，仅是添加含量为50％的基质MMA。经计算得出FoM值为1.09。在450nm处，透光率较实施例1提升11.2％。以432nm处的发射为例，荧光强度提升26.84％。
实施例11
其他条件均与实施例1相同，仅是添加含量为60％的基质MMA。经计算得出FoM值为1.01。在450nm处，透光率较实施例1提升6.4％。以432nm处的发射为例，荧光强度提升49.98％。
实施例12
其他条件均与实施例1相同，仅是添加含量为80％的基质MMA。经计算得出FoM值为0.99。在450nm处，透光率较实施例1提升8.1％。以432nm处的发射为例，荧光强度提升56.86％。
实施例13
其他条件均与实施例1相同，仅是添加含量为90％的基质MMA。以432nm处的发射为例，荧光强度提升25.12％。
对比例1
其他条件均与实施例5相同，仅是不进行步骤2的处理，而是直接将步骤(1)所得MMA/St/PPO/DPA前驱体溶液进行聚合反应，所得到闪烁体在聚合过程中有氧气参与，导致颜色发黄。基底的光透过率和染料产生的发光中心会受到影响，造成其荧光强度低及PSD能力弱。
对比例2
其他条件均与实施例5相同，仅是在聚合过程中，在100℃保温完成后，直接冷却至室温，会造成聚合反应不充分。聚合后的闪烁体质地偏软，后期脱模和打磨过程不易进行，且产品表面因氧化易出现白色不透明纹路。同时基质中单体未充分聚合，造成能量共振转移效率低，能量无法充分转移至染料分子中。

Claims (8)

1.一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：配取DPA或 POPOP中的一种、苯乙烯、PPO获得溶液A；配取甲基丙烯酸甲酯和AIBN，混合获得溶液B；将溶液A与溶液B混合获得前驱体溶液，将前驱体溶液净化处理，所述净化处理为于液氮下冷冻凝固，再抽取真空，然后再于保护气氛下升温至室温获得前驱体溶液，重复净化处理3次，然后于真空环境下进行聚合反应，得到中子伽马甄别塑料闪烁体；
所述聚合反应过程为：先于40~50℃温度下，保温36 ~ 48 h；再以3~5 ℃/h的速度升温至100 ~ 105 ℃，保温36 ~ 48h；然后以3~5 ℃/h降温至45~50 ˚C，再保温6 ~ 12 h；
所述中子伽马甄别塑料闪烁体由闪烁体基质，主荧光染料、次级荧光染料组成，所述闪烁体基质为甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物，所述主荧光染料为PPO，所述次级荧光染料选自DPA或POPOP。
2.根据权利要求1所述的一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，其特征在于：所述苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯的质量比为90~10:10~90；所述前驱体溶液中， PPO的质量分数为25~30wt.%，DPA或 POPOP的质量分数为0.01~0.04wt.% 。
3.根据权利要求1所述的一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，其特征在于：所述前驱体溶液中， AIBN的质量分数为0.01~0.05wt.%。
4.根据权利要求1所述的一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，其特征在于：所述保护气氛为氩气。
5.根据权利要求1所述的一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，其特征在于：所述甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物由甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚获得，所述甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物中，甲基丙烯酸甲酯的质量分数为10~90wt.%。
6.根据权利要求1所述的一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，其特征在于：所述主荧光染料在中子伽马甄别塑料闪烁体中的质量分数为25~30wt.%。
7.根据权利要求1所述的一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的制备方法，其特征在于：所述DPA或POPOP在塑料闪烁体中的质量分数为0.01~0.04wt.%。
8.权利要求1-7任意一项所述的制备方法所制备一种具有高透光性和机械强度的中子伽马甄别塑料闪烁体的应用，其特征在于：将所述中子伽马甄别塑料闪烁体应用于由中子、伽马射线混合的脉冲辐射场中子探测。
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