一种塑料闪烁体薄片、制备方法及其制备装置
阅读说明：本技术 一种塑料闪烁体薄片、制备方法及其制备装置 (Plastic scintillator sheet, preparation method and preparation device thereof ) 是由 潘子文 王齐 魏伟 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种塑料闪烁体薄片,该塑料闪烁体薄片由基体材料、发光剂和移波剂组成,该制备方法包括以下步骤S1制备装置组装和清洗,S2制备装置测试,S3净化制备装置,S4闪烁体溶液制备,S5闪烁体溶液反应准备,S6闪烁体溶液聚合反应和S7闪烁体薄片去应力；该制备装置包括可拆卸的反应釜,该反应釜包括边框、下盖板和上盖板,内设置有成模板,成模板之间设置有成型腔用于成型塑料闪烁体薄片。该制备方法使用聚合工艺,根据需要制备成大尺寸的塑料闪烁体薄片,厚度相对偏差小,对塑料闪烁体基体、发光剂和移波剂充分均匀混合和反应,保证塑料闪烁体薄片在不同位置对射线的高探测效率和一致性。(The invention provides a plastic scintillator sheet, which consists of a base material, a luminescent agent and a wave-shifting agent, and the preparation method comprises the following steps of S1 assembly and cleaning of a preparation device, S2 preparation device testing, S3 purification preparation device, S4 scintillator solution preparation, S5 scintillator solution reaction preparation, S6 scintillator solution polymerization reaction and S7 scintillator sheet destressing; the preparation device comprises a detachable reaction kettle, wherein the reaction kettle comprises a frame, a lower cover plate and an upper cover plate, a molding plate is arranged in the reaction kettle, and a molding cavity is arranged between the molding plates and used for molding the plastic scintillator sheet. The preparation method uses a polymerization process, prepares the large-size plastic scintillator sheet according to the needs, has small relative deviation of thickness, fully and uniformly mixes and reacts the plastic scintillator matrix, the luminescent agent and the wave shifting agent, and ensures high detection efficiency and consistency of the plastic scintillator sheet on rays at different positions.)
技术领域
本发明涉及核辐射探测材料制备技术领域，特别涉及一种塑料闪烁体薄片、该薄片的制备方法及其制备装置。
背景技术
在核探测技术中，塑料闪烁体是闪烁体中的重要一员，在测量带电粒子、中子等射线粒子方面具有重要地位。塑料闪烁体通常由塑料基质、第一发光物质和第二发光物质构成，当粒子或射线入射到塑料闪烁体中，被塑料基质吸收后，所产生的电子和空穴对将激发第一发光物质，并产生发光，但该发光波长位于紫外区易于被塑料基质吸收无法出射，因此常采用第二发光物质，又称为移波剂，将第一发光物质发射的紫外光转化成可见光，从而易于从基质中出射。
塑料闪烁体由于对α、β与γ射线均具有较高的探测效率，且具有优良的可塑性，常被设计成各种特殊的几何形状用于制作α、β与γ射线的辐射探测器。对于大面积的特殊几何形状的被测对象，需要加工与之相对应的大面积塑料闪烁体。但是大面积塑料闪烁体的厚度仅为0.5～1mm，不易加工，而且其刚性极低、易划易碎。
现阶段塑料闪烁体薄片的主流制备工艺是挤出工艺。该工艺的原料经高温熔化至熔融状态，后用挤出机通过固定磨具挤出成塑料闪烁体薄片。但是尺寸偏小和厚度均匀性较差；挤出工艺生产的塑料闪烁体薄片由于模具尺寸的限制，挤出的塑料闪烁体薄片尺寸较小。探测效率一致性较差；由于发光剂以及移波剂的掺加量较小，难以与苯乙烯颗粒充分均匀混合，因此挤出的塑料闪烁体薄片上不同位置对放射性射线的探测效率一致性较差。因此，本发明提供一种塑料闪烁体薄片、塑料闪烁体薄片的制备方法，以及该制备方法的制备装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种塑料闪烁体薄片，可以根据需要制备成大尺寸的塑料闪烁体薄片，厚度相对偏差小于3％，尺寸达到1000×500mm2；该制备方法使用聚合工艺，对塑料闪烁体基体、发光剂和移波剂充分均匀混合和反应，保证塑料闪烁体薄片在不同位置对射线的高探测效率和一致性。
为了实现上述目的，本发明提供一种塑料闪烁体薄片，所述塑料闪烁体薄片由基体材料、发光剂和移波剂组成，所述发光剂为3％～7％(重量百分比含量)，所述移波剂为0.3％～0.8％(重量百分比含量)。
所述基体材料由塑料基单体聚合而成，所述塑料基单体选自苯乙烯、α-甲基苯乙烯、4-甲基苯乙烯、乙烯基甲苯、甲基丙烯酸甲酯中的一种单体或者单体混合物；
所述发光剂选自对三联苯、2,5-二苯基恶唑、2-(4'-叔丁苯基)-5-(4'-联苯基)-1,3,4-恶二唑、2-(4-联苯基)-5-苯基恶二唑中的一种或者混合物；
所述移波剂选自1,4-双(5-苯基噁唑)苯POPOP、1,4-双(5-苯基-2-恶唑基)苯、1,4-双(2-甲基苯乙烯基)苯、1,4-二(4-甲基苯乙烯)苯、9,10-二苯基蒽中的一种或者混合物。
进一步的，所述塑料基单体的所述单体用纯度为99.5％以上的单体原料经过分馏而得的纯净新单体。
进一步的，所述塑料闪烁体薄片是向所述塑料基单体中分别加入所述发光剂和所述移波剂，在真空条件下混合均匀，再倒入氮气环境的反应釜内并在加热和搅拌的条件下发生聚合反应而得。通过聚合反应，可以使塑料闪烁体薄片的塑料基单体、发光剂和移波剂充分均匀混合，保证塑料闪烁体薄片在不同位置对放射性射线的高探测效率和一致性；同时，本聚合工艺形成的塑料闪烁体薄片，其基体材料的微观结构不受影响，生产的塑料闪烁体薄片相比现有挤出工艺生产薄片的产品的发光产额高出40％～70％。
为了实现上述目的，本发明还提供制备该塑料闪烁体薄片的配套的制备装置，该制备装置包括反应釜1，可拆卸的所述反应釜1包括边框11、下盖板13和上盖板14，所述下盖板13和上盖板14盖合在所述边框11两侧，所述边框11、下盖板13和上盖板14之间形成模板腔16，所述模板腔16内设置有成模板2，所述成模板2包括第一模板21、第二模板22，所述第一模板21和第二模板22之间设置有成型腔24，所述成型腔24用于成型所述塑料闪烁体薄片。
进一步的，所述边框11一端设置有开口111，所述开口111上安装有上框12，所述边框11和所述上框12上设置有密封槽151，所述边框11和所述上框12一起形成所述反应釜1的外框架15。
所述上框12上还设置有冷凝接口121和氮气接口122，所述冷凝接口121用于向所述反应釜1内导入塑料闪烁体，所述氮气接口122用于向所述反应釜1内填充氮气或者抽取真空。
进一步的，所述外框架15的两侧各设置有一圈密封槽151，所述密封槽151内设置有密封圈，所述下盖板13和所述上盖板14通过设置在所述密封槽151内的密封圈把所述反应釜1密封。
进一步的，所述成模板2设置在所述模板腔16的中间偏下区域，所述成模板2把所述模板腔16分隔成入料腔3和平衡腔4，所述入料腔3位于所述模板腔16上部，所述平衡腔4位于所述模板腔16下部。这样的设置方式，从冷凝接口和氮气接口进入的塑料闪烁体或者氮气可以在模板腔内部进行平衡和连通，使模板腔处于连通状态，可以很好的填充塑料闪烁体或者氮气，以及抽取真空时全部抽出气体。
进一步的，所述成模板2材料为不锈钢镜面隔板、石英玻璃或者镜面铝板；所述隔板23优选为不同厚度的塞尺薄片。多块所述成模板2的所述第一模板21和第二模板22之间设置有隔板23，所述隔板23用于控制所述成型腔24的厚度；根据制备塑料闪烁体薄片的厚度不同，选择不同厚度的隔板组装在成模板之间即可；同时成模板可以根据需要设很多块，依据第一模板和第二模板的设置方式逐渐堆叠在一起，成模板之间设置隔板以控制成型腔的厚度，从而制备多种不同厚度尺寸的塑料闪烁体薄片。
为了实现上述目的，本发明还提供制备该塑料闪烁体薄片的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1制备装置组装和清洗，组装好制备装置，以形成反应釜；并依据下列顺序清洗所述制备装置，丙酮溶液清洗→纯净水清洗→丙酮溶液清洗→三次纯净水清洗，再用氮气吹干所述制备装置；
S2制备装置测试，对所述制备装置进行耐压气密测试，所述气密值的泄漏量小于0.15ml/min，压力P值0.5MPa≤P≤0.8MPa；
S3净化制备装置，将所述制备装置装入加热炉，并向所述制备装置内通入氮气进行3～5次循环替换掉制备装置及反应釜内的空气，使反应釜内形成氮气环境；
S4闪烁体溶液制备，在一个可抽真空和摇晃混合的容器中加入所述塑料基单体，再向所述塑料基单体中加入3％～7％的发光剂和0.3％～0.8％的移波剂形成闪烁体溶液，并抽真空和摇晃25min～35min使所述闪烁体溶液混合均匀；
S5闪烁体溶液反应准备，将步骤S4制备的所述闪烁体溶液导入步骤S3所述制备装置的所述反应釜内，使闪烁体溶液在反应釜的成模板间形成薄片液，继续通入氮气对所述闪烁体溶液进行搅拌，搅拌时间为3h～5h；同时启动加热炉对制备装置和反应釜预加热，预加热温度为60℃～70℃，预加热时间5h～10h；
S6闪烁体溶液聚合反应，预加热结束后，调整加热炉以4℃/h～5℃/h的速度升温至120℃～130℃后，并保温130h～140h以使成模板间形成的薄片液充分进行聚合反应并固化形成闪烁体薄片；
S7闪烁体薄片去应力，固化结束后，调整加热炉以4℃/h～5℃/h的速度缓慢降温至20℃～25℃得到塑料闪烁体薄片；
S8后处理，从加热炉取出制备装置及反应釜，对所述制备装置及反应釜拆卸，并逐层取出成模板间的塑料闪烁体薄片，并检测确认。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的塑料闪烁体薄片，其闪烁体溶液在制备装置的反应釜内形成聚合反应并固化，可以使对塑料闪烁体基体、发光剂和移波剂充分均匀混合，保证塑料闪烁体薄片不同位置对放射性射线的探测效率一致。
2、通过制备装置形成的专门反应釜制备塑料闪烁体薄片厚度均匀性好，其塑料闪烁体薄片的厚度相对偏差小于3％，比现有挤出工艺的相对偏差低一个数量级。
3、发光产额高，本发明使用聚合工艺得到的塑料闪烁体基体材料苯乙烯的微观结构基本不受影响，生产的塑料闪烁体薄片相比现有挤出工艺生产的产品的发光产额高出40％～70％。
4、尺寸可调且可以生产大尺寸产品，本工艺通过成模板组装成反应釜，其成模板间的厚度通过隔板(塞尺)调节，最小厚度达到0.25mm，可以根据需要在不同厚度尺寸聚合生成不同厚度的塑料闪烁体薄片，且产品的长宽尺寸可以达到1000mm*500mm，面积达到5000cm2。
5、长时间使用不发生形变，性能稳定，相比挤出工艺二次成形方式，本发明使用聚合工艺生产的塑料闪烁体薄片不存在内部应力，长时间使用不会发生弯曲形变，性能稳定。
附图说明
图1是该制备装置的爆炸图；
图2是该制备装置的立体图；
图3是该制备装置的内部结构图；
图4是该制备装置的上框图；
图5是该制备装置的剖视图；
图6是该制备装置的剖视放大图；
图7是该塑料闪烁体薄片的样品照片；
图8是该塑料闪烁体薄片的样品厚度测试图；
图9是该塑料闪烁体薄片的样品波长测试图。
附图标记：1-反应釜，11-边框，111-开口，12-上框，121-冷凝接口，122-氮气接口，13-下盖板，14-上盖板，15-外框架，151-密封槽，16-模板腔；2-成模板，21-第一模板，22-第二模板，23-隔板，24-成型腔；3-入料腔；4-平衡腔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，以使本领域技术人员能够充分理解本发明的技术内容。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种塑料闪烁体薄片，塑料闪烁体薄片由基体材料、发光剂和移波剂组成，发光剂为3％～7％(重量百分比含量)，移波剂为0.3％～0.8％(重量百分比含量)。该基体材料由塑料基单体聚合而成，该塑料基单体选自苯乙烯、α-甲基苯乙烯、4-甲基苯乙烯、乙烯基甲苯、甲基丙烯酸甲酯中的一种单体或者单体混合物；发光剂选自对三联苯、2,5-二苯基恶唑、2-(4'-叔丁苯基)-5-(4'-联苯基)-1,3,4-恶二唑、2-(4-联苯基)-5-苯基恶二唑中的一种或者混合物；移波剂选自1,4-双(5-苯基噁唑)苯POPOP、1,4-双(5-苯基-2-恶唑基)苯、1,4-双(2-甲基苯乙烯基)苯、1,4-二(4-甲基苯乙烯)苯、9,10-二苯基蒽中的一种或者混合物。
本发明制备该塑料闪烁体薄片的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1制备装置组装和清洗，组装好制备装置，以形成反应釜；并依据下列顺序清洗制备装置，丙酮溶液清洗→纯净水清洗→丙酮溶液清洗→三次纯净水清洗，再用氮气吹干制备装置；
S2制备装置测试，对制备装置进行耐压气密测试，气密值的泄漏量小于0.15ml/min，压力P值0.5MPa≤P≤0.8MPa；
S3净化制备装置，将制备装置装入加热炉，并向制备装置内通入氮气进行3～5次循环替换掉制备装置及反应釜内的空气，使反应釜内形成氮气环境；
S4闪烁体溶液制备，在一个可抽真空和摇晃混合的容器中加入塑料基单体，再向塑料基单体中加入3％～7％的发光剂和0.3％～0.8％的移波剂形成闪烁体溶液，并抽真空和摇晃25min～35min使闪烁体溶液混合均匀；
S5闪烁体溶液反应准备，将步骤S4制备的闪烁体溶液导入步骤S3制备装置的反应釜内，使闪烁体溶液在反应釜的成模板间形成薄片液，继续通入氮气对闪烁体溶液进行搅拌，搅拌时间为3h～5h；同时启动加热炉对制备装置和反应釜预加热，预加热温度为60℃～70℃，预加热时间5h～10h；
S6闪烁体溶液聚合反应，预加热结束后，调整加热炉以4℃/h～5℃/h的速度升温至120℃～130℃后，并保温130h～140h以使成模板间形成的薄片液充分进行聚合反应并固化形成闪烁体薄片；
S7闪烁体薄片去应力，固化结束后，调整加热炉以4℃/h～5℃/h的速度缓慢降温至20℃～25℃得到塑料闪烁体薄片；
S8后处理，从加热炉取出制备装置及反应釜，对制备装置及反应釜拆卸，并逐层取出成模板间的塑料闪烁体薄片，并检测确认。其测试参照图8测试多点求得厚度(mm)平均值见表1～3所示。
本发明提供的该塑料闪烁体薄片制备方法的配套的制备装置，如图1-3和5所示，该制备装置包括反应釜1，可拆卸的反应釜1包括边框11、下盖板13和上盖板14，下盖板13和上盖板14盖合在边框11两侧，边框11、下盖板13和上盖板14之间形成模板腔16，模板腔16内设置有成模板2，成模板2包括第一模板21、第二模板22，第一模板21和第二模板22之间设置有成型腔24，成型腔24用于成型塑料闪烁体薄片。边框11一端设置有开口111，开口111上安装有上框12，边框11和上框12上设置有密封槽151，边框11和上框12一起形成反应釜1的外框架15。上框12上还设置有冷凝接口121和氮气接口122，冷凝接口121用于向反应釜1内导入塑料闪烁体，氮气接口122用于向反应釜1内填充氮气或者抽取真空。成模板2材料为不锈钢镜面隔板、石英玻璃或者镜面铝板；隔板23优选为不同厚度的塞尺薄片。多块成模板2的第一模板21和第二模板22之间设置有隔板23，隔板23用于控制成型腔24的厚度；根据制备塑料闪烁体薄片的厚度不同，选择不同厚度的隔板组装在成模板之间即可；同时成模板可以根据需要设很多块，依据第一模板和第二模板的设置方式逐渐堆叠在一起，成模板之间设置隔板以控制成型腔的厚度，从而制备多种不同厚度尺寸的塑料闪烁体薄片。
作为进一步的改进，如图5和6所示，外框架15的两侧各设置有一圈密封槽151，密封槽151内设置有密封圈，下盖板13和上盖板14通过设置在密封槽151内的密封圈把反应釜1密封。
如图2和5所示，成模板2设置在模板腔16的中间偏下区域，成模板2把模板腔16分隔成入料腔3和平衡腔4，入料腔3位于模板腔16上部，平衡腔4位于模板腔16下部。这样的设置方式，从冷凝接口和氮气接口进入的塑料闪烁体或者氮气可以在模板腔内部进行平衡和连通，使模板腔处于连通状态，可以很好的填充塑料闪烁体或者氮气，以及抽取真空时全部抽出气体。
使用时，参照图1、2和5，第一步反应釜1组装：首先组装边框11，并把上框12安装在边框11的开口111上形成外框架15；其次，在外框架15内部的模板腔16内依次安装第一模板21，隔板23和第二模板22的顺序放置成模板2，重复放置多层隔板23和成模板2，到模板腔16填满为止；再次，在外框架15两侧的密封槽151内放置密封圈，并在外框架15两侧盖合上下盖板13和上盖板14，并用螺钉锁紧该反应釜1。其拆解过程反向进行操作。
第二步，反应釜清洗，按照清洗剂溶液-纯水-清洗剂溶液-纯水-纯水-纯水的顺序对塑料闪烁体聚合反应釜进行清洗，清洗剂可以使用丙酮，最后用氮气吹干；
第三步，对反应釜进行气密性及压力测试，通入氮气进行循环替换掉反应釜内的空气，使反应釜内保持氮气环境；
第四步，塑料闪烁体导入反应釜1聚合反应，形成塑料闪烁体薄片；
第五步，反应釜拆卸，拆解过程按照第一步的反向进行操作，取出塑料闪烁体薄片。
根据本发明的塑料闪烁体薄片的制备方法，运用该制备装置，进行三个实施例测试验证如下：
实施例1
制备厚度0.5mm的塑料闪烁体薄片10块，该塑料闪烁体薄片的基体材料为苯乙烯、发光剂对三联苯3％和移波剂1,4-双(5-苯基噁唑)苯0.8％。
表1制备10块塑料闪烁体薄片样品，参照图8测试多点求得厚度(mm)平均值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.503
0.508
0.509
0.493
0.502
0.490
0.507
0.501
0.495
0.511
实施例2
制备厚度0.35mm的塑料闪烁体薄片10块，塑料闪烁体薄片的基体材料为甲基丙烯酸甲酯、发光剂为2-(4-联苯基)-5-苯基恶二唑5％和移波剂为9,10-二苯基蒽0.6％。
表2制备10块塑料闪烁体薄片样品，参照图8测试多点求得厚度(mm)平均值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.353
0.358
0.349
0.353
0.352
0.350
0.347
0.351
0.345
0.351
实施例3
制备厚度0.25mm的塑料闪烁体薄片10块，塑料闪烁体薄片的基体材料为乙烯基甲苯：甲基丙烯酸甲酯＝1:1、7％发光剂为2,5-二苯基恶唑：2-(4-联苯基)-5-苯基恶二唑＝1:2和0.3％移波剂为1,4-双(5-苯基-2-恶唑基)苯：9,10-二苯基蒽＝1：3。
表3制备10块塑料闪烁体薄片样品，参照图8测试多点求得厚度(mm)平均值
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.251
0.252
0.249
0.251
0.252
0.251
0.249
0.251
0.251
0.250
所获得的塑料闪烁体薄片样品如图7所示，表面光滑平整；图8和表1-3给出了塑料闪烁体薄片厚度测试结果，厚度平均值与预期厚度一致，不同位置厚度相对偏差在3.％以内；如图9所示为厚度0.5mm塑料闪烁体薄片样品的发射光谱，其最大波长约423nm，在蓝光波段内。该塑料闪烁体薄片可以很好地满足对低能α、β射线的测量需求。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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