Study of radiation and natural aging of plastic scintillators
An influence of radiation and natural aging on scintillating characteristics of polystyrene scintillators (PS) produced
 by different technologies is studied. Influence of molecular-mass distribution on PS radiation hardness is also
 studied. It is shown that with increasing of polyd...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79873 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators / N.P. Khlapova, V.G. Senchyshyn, V.N. Lebedev, A.F. Adadurov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 142-144. — Бібліогр.: 1 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860011510242213888 |
|---|---|
| author | Khlapova, N.P. Senchyshyn, V.G. Lebedev, V.N. Adadurov, A.F. |
| author_facet | Khlapova, N.P. Senchyshyn, V.G. Lebedev, V.N. Adadurov, A.F. |
| citation_txt | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators / N.P. Khlapova, V.G. Senchyshyn, V.N. Lebedev, A.F. Adadurov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 142-144. — Бібліогр.: 1 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | An influence of radiation and natural aging on scintillating characteristics of polystyrene scintillators (PS) produced
by different technologies is studied. Influence of molecular-mass distribution on PS radiation hardness is also
studied. It is shown that with increasing of polydispersion a radiation hardness decreases, which is connected with a
change in a free volume of polymer and ultimately with amount of dissolved oxygen. By results of accelerated tests
on radiation and thermal aging, assessed operation times are presented for PS of different types. Recommendations
are proposed regarding PS selection for different operation conditions.
Изучено влияние радиационного и естественного старения на сцинтилляционные характеристики полистирольных сцинтилляторов (ПС), полученных по различным технологиям. Изучено влияние молекулярномассового распределения на радиационную стойкость ПС. Показано, что с увеличением полидисперсности радиационная стойкость падает, что связано с изменением свободного объема полимера и, в конечном счете, с количеством растворенного кислорода. По результатам ускоренных испытаний на радиационное и термостарение приводятся прогнозируемые сроки службы различных типов ПС. Предложены рекомендации по выбору типа ПС для конкретных условий эксплуатации.
Досліджено вплив радіаційного і природного старіння на сцинтиляційні характеристики полістирольних
сцинтиляторів (ПС), отриманих за різними технологіями. Вивчено вплив молекулярно-масового
розподілення на радіаційну стійкість ПС. Показано, що з підвищенням полідисперсності радіаційна
стійкість падає, що пов’язано зі зміною вільного об’єму полімеру і, в загальному підсумку, з кількістю
розчиненого кисню. За результатами пришвидшених тестів на радіаційне і термостаріння приводяться
прогнозуємі строки служби різних типів ПС. Запропоновано рекомендації по вибору типу ПС для
конкретних умов експлуатації.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:41:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
STUDY OF RADIATION AND NATURAL AGING OF PLASTIC SCINTIL-
LATORS
N.P. Khlapova, V.G. Senchyshyn, V.N. Lebedev, A.F. Adadurov
ISMA NTK «Institute for single crystals» NAN of Ukraine, Kharkov, Ukraine
tel. (0572) 3410269, E-mail: sench@isc.kharkov.com
An influence of radiation and natural aging on scintillating characteristics of polystyrene scintillators (PS) pro-
duced by different technologies is studied. Influence of molecular-mass distribution on PS radiation hardness is also
studied. It is shown that with increasing of polydispersion a radiation hardness decreases, which is connected with a
change in a free volume of polymer and ultimately with amount of dissolved oxygen. By results of accelerated tests
on radiation and thermal aging, assessed operation times are presented for PS of different types. Recommendations
are proposed regarding PS selection for different operation conditions.
PACS: 29.40.Mc
INTRODUCTION
In modern high energy physics experiments (LHCb,
SSC, CDF, OPERA) in the complex detecting systems
with cell or plane structure, PS are often used in a tile,
strip or bar shape, their weight being up to several ton.
For detector satisfactory working during long time
(~10 year) and continuous radiation impacts (~10…
50 kGy) PS must have rather high level of operational
reliability. Light yield changing during the whole opera-
tional time must not exceed 20%, and light attenuation
length – 50%. Severe requirements to PS long stability
stimulate designing of scintillating materials resisting to
long-term action of external factors (ionizing radiation,
air oxygen exposure, humidity and temperature varia-
tion).
In the present work we studied influence of techno-
logical factors of PS manufacturing on the degree of
their natural and radiation aging.
EXPERIMENTAL TECHNIQUE
Scintillators of UPS series were produced on indus-
trial equipment by styrene bulk polymerization in alu-
minum ampoule (UPS-923A) and in a glass mold (UPS-
97GС), as well as by injection molding (UPS-96M).
The content of PS was: PST+1.5%p-TP+0.02%POPOP.
Some samples were produced with introducing different
diffuse enhancers and stabilizers. Produced PS samples
were tested on radiation and thermal aging. Samples ir-
radiation was made on a Со-60 unit up to 10…40 kGy
under different dose rates. Thermal aging of PS was
made in two air thermostats under 60 and 80°С during
3000 hours. At each stage of tests – before, immediately
after irradiation and during post-irradiation period, light
yield and light attenuation length in PS were measured
[1]. Mean weight Mw molecular mass was measured by
viscosimetry method. Besides, mean weight Mw and
mean number Mn molecular masses were calculated ac-
cording to thermal regimes of polymerization. On the
base of temperature-temporal superposition with the re-
sults of thermal aging tests, estimated operational time
of PS was calculated.
EXPERIMENTAL RESULTS
Fig.1-3 present the results of PS scintillating charac-
teristics in the process of radiation aging. Immediately
after irradiation, significant decreasing was observed of
light attenuation length LR/L (more than 50%) and light
yield IR/I (up to 25%) (Fig.1,a,b).
After the termination of irradiation, a gradual recov-
ering of samples characteristics is observed. The recov-
ering time is about 80-300 hours dependent on sample
content and cumulated dose. When dose rate is de-
creased from 0.25 kGy/h to 0.1 kGy/h, a partial recover-
ing of samples characteristics is observed during irradia-
tion time (100…400 hours). By transparency changing
pattern, one can see (Fig.1,с) that designed composition
can be used in such an environment, where the irradia-
tion rate does not exceed 0.1 kGy. In the other case, a
significant (more 50%) change in the attenuation length
will be observed.
As experimental data show, the dose, which causes
up to 20% of the light yield change, slightly depends on
the production method and for PS of UPS is 57…
65 kGy. The dose, under which the light attenuation
length is decreased by 50% is 18…50 kGy and is a
maximum tolerance dose.
It is to be note that the radiation hardness rather strong-
ly depends on regimes and methods of compositions ob-
tained. The compositions with a high polydispersion
(Мw/Mn=4.5…6.0) and a low mean weight molecular mass
Мw =0.6⋅105 do not possess the high radiation hardness
(14…20 kGy). PS produced by a specially chosen temper-
ature regime allows reducing the residual monomer con-
centration, quantity of end groups and obtaining PS with
more high molecular weight and with much less polydis-
persion (Мw=(2…4)⋅105, Мw/Mn=(2.2…3.2).
Samples with improving molecular-mass character-
istics with significant increasing of the radiation hard-
ness – up to 30 kGy are observed (Fig.2).
Plasticizers introduced promote increasing of molec-
ular mobility and provide an active diffusion of oxygen
and favor recombination of radiolysis products. The
compositions with the plasticizers have the highest radi-
ation hardness (40…50 kGy), their concentrations being
from 5 to15% (Fig.2).
According to the results of accelerated tests on a
long-term stability, the operational times of different PS
were estimated (see Table). These results have good
agreement with natural aging data of UPS-923А scintil-
lator in a shape of a long plate of 200×30×2 cm. As can
be seen in Fig.3, during four year storage, attenuation of
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.142-144.142
mailto:sench@isc.kharkov.com
this plate was change by 7/8%, whereas analogous plate
made of foreign scintillator NE 114 – by 25.8%.
0 100 200 300 400 500
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
a
ti tR
IR/I
t, hours
1
2
0 100 200 300 400 500
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
b
tR ti t, hours
LR/L
2
1
0 1 2 3 4
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
c
0.25 kGy/h
0.1 kGy/h
LR/L
d, kGy
Fig.1. Change of characteristics of UPS-97GС samples
irradiated by doses: 1…10 kGy; 2…40 kGy on recover-
ing time: a) light yield IR/I; b) technical attenuation
length LR/L; с) technical attenuation length LR/L as a
function of dose d and dose rate P=0.1…0.25 kGy/h
0 1 2 3 4 5
10
20
30
40
50
4
3
2
1
d1/2(L), кГр
Mw, 105
Fig.2. Dependence of half attenuation dose d1/2 on pro-
duction methods of polystyrene compositions producing
and their molecular-mass characteristics: (� ) – poly-
merization in thin glass molds; (о) – polymerization in
an aluminum ampoule; (∆) – injection molding. Sam-
ples with plasticizers: 3 – Cp = 5%, 4 – Cp = 15%. (х) –
polymerization, (+) – injection molding
The Table presents the operational parameters, radi-
ation hardness and estimated operational times of differ-
ent scintillators of UPS series and their foreign ana-
logues. One can see in the Table that scintillators of
UPS series, obtained at optimal conditions have high
transparency (TAL up to 150 cm, BAL to 400 cm) and
high radiation hardness (50 kGy), and also meet the re-
quirements for long-term stability.
Main parameters of plastic scintillators of UPS (Amcrys-H), BC (“Bicron”) and SCSN-81 (“Kuraray”)
PS type Scint,
eff,%
Light attenuation
length, cm
(BAL) (TAL)
Estimated
operational
time,
year
Dose of halve at-
tenuation d1/2,
kGy
BAL TAL
UPS-89 100 150 75
UPS-923A 100 280…400 120 5 25
UPS-97GC 108 150…250 135…150 8…10 7 25
UPS-98GC 108 180…250 135…150 7 25
UPS-98RH 92 110 75…85 50 50
UPS-97M 95 30…60 30…60 11 6 25
UPS-98M 95 40…70 50…70 11 6 25
BC-408 130 370 130…150 5 18 30
SCSN-81T 80 110 70…85 10 5.5 30
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.142-144.143
Fig.3. Light yield of PS (UPS 923A, top) and PVT
based scintillator (NE 114, bottom) versus distance
from the front end of bar. Measurements were done
in 1992 and 1996
CONCLUSIONS
1. Contents are developed and production meth-
ods are designed for radiation-hard plastic scintilla-
tors of UPS series with diffuse enhancers, which ex-
ceed best foreign analogues BC-408 and SCSN-81 by
the radiation hardness.
2. It is shown that under dose rates that are less
than 0.1 kGy/h, samples of 4 mm thickness almost
completely recover during irradiation time.
3. Dependence of scintillators radiation hardness
on molecular mass and polydispersion is studied. It is
shown that PS produced by regimes offering a com-
position forming with a high mean-weight molecular
mass and low polydispersion (Мw = 2…4⋅105,
Мw/Mn=2.2…3.2) have high radiation resistance.
4. Polystyrene scintillators obtained at optimal
conditions have high transparency to the light of self-
luminescention (100…150 cm) and high radiation
hardness (25…50 kGy), and also meet the require-
ments of long-term stability of characteristics in oper-
ation during 10 years.
REFERENCE
1. V.G. Senchishin, V.N. Lebedev, A.F. Adadurov et
al. Investigation of radiation hardness of plastic
scintillators SCSN-81T, BC-408, UPS923A and
UPS98RH // Functional Materials. 2003, v.10,
№2, p.281-287.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО И ЕСТЕСТВЕННОГО СТАРЕНИЯ ПЛАСТМАССОВЫХ
СЦИНТИЛЛЯТОРОВ
Н.П. Хлапова, В.Г. Сенчишин, В.Н. Лебедев, А.Ф. Ададуров
Изучено влияние радиационного и естественного старения на сцинтилляционные характеристики поли-
стирольных сцинтилляторов (ПС), полученных по различным технологиям. Изучено влияние молекулярно-
массового распределения на радиационную стойкость ПС. Показано, что с увеличением полидисперсности
радиационная стойкость падает, что связано с изменением свободного объема полимера и, в конечном счете,
с количеством растворенного кислорода. По результатам ускоренных испытаний на радиационное и термо-
старение приводятся прогнозируемые сроки службы различных типов ПС. Предложены рекомендации по
выбору типа ПС для конкретных условий эксплуатации.
ДОСЛІДЖЕННЯ РАДІАЦІЙНОГО І ПРИРОДНОГО СТАРІННЯ ПЛАСТМАСОВИХ
СЦИНТИЛЯТОРІВ
Н.П. Хлапова, В.Г. Сенчишин, В.Н. Лебедєв, О.Ф. Ададуров
Досліджено вплив радіаційного і природного старіння на сцинтиляційні характеристики полістирольних
сцинтиляторів (ПС), отриманих за різними технологіями. Вивчено вплив молекулярно-масового
розподілення на радіаційну стійкість ПС. Показано, що з підвищенням полідисперсності радіаційна
стійкість падає, що пов’язано зі зміною вільного об’єму полімеру і, в загальному підсумку, з кількістю
розчиненого кисню. За результатами пришвидшених тестів на радіаційне і термостаріння приводяться
прогнозуємі строки служби різних типів ПС. Запропоновано рекомендації по вибору типу ПС для
конкретних умов експлуатації.
144
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79873 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T16:41:56Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Khlapova, N.P. Senchyshyn, V.G. Lebedev, V.N. Adadurov, A.F. 2015-04-06T14:45:33Z 2015-04-06T14:45:33Z 2006 Study of radiation and natural aging of plastic scintillators / N.P. Khlapova, V.G. Senchyshyn, V.N. Lebedev, A.F. Adadurov // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 3. — С. 142-144. — Бібліогр.: 1 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.40.Mc https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79873 An influence of radiation and natural aging on scintillating characteristics of polystyrene scintillators (PS) produced
 by different technologies is studied. Influence of molecular-mass distribution on PS radiation hardness is also
 studied. It is shown that with increasing of polydispersion a radiation hardness decreases, which is connected with a
 change in a free volume of polymer and ultimately with amount of dissolved oxygen. By results of accelerated tests
 on radiation and thermal aging, assessed operation times are presented for PS of different types. Recommendations
 are proposed regarding PS selection for different operation conditions. Изучено влияние радиационного и естественного старения на сцинтилляционные характеристики полистирольных сцинтилляторов (ПС), полученных по различным технологиям. Изучено влияние молекулярномассового распределения на радиационную стойкость ПС. Показано, что с увеличением полидисперсности радиационная стойкость падает, что связано с изменением свободного объема полимера и, в конечном счете, с количеством растворенного кислорода. По результатам ускоренных испытаний на радиационное и термостарение приводятся прогнозируемые сроки службы различных типов ПС. Предложены рекомендации по выбору типа ПС для конкретных условий эксплуатации. Досліджено вплив радіаційного і природного старіння на сцинтиляційні характеристики полістирольних
 сцинтиляторів (ПС), отриманих за різними технологіями. Вивчено вплив молекулярно-масового
 розподілення на радіаційну стійкість ПС. Показано, що з підвищенням полідисперсності радіаційна
 стійкість падає, що пов’язано зі зміною вільного об’єму полімеру і, в загальному підсумку, з кількістю
 розчиненого кисню. За результатами пришвидшених тестів на радіаційне і термостаріння приводяться
 прогнозуємі строки служби різних типів ПС. Запропоновано рекомендації по вибору типу ПС для
 конкретних умов експлуатації. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Применение ускорителей в радиационных технологиях Study of radiation and natural aging of plastic scintillators Исследование радиационного и естественного старения пластмассовых сцинтилляторов Дослідження радіаційного і природного старіння пластмасових сцинтиляторів Article published earlier |
| spellingShingle | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators Khlapova, N.P. Senchyshyn, V.G. Lebedev, V.N. Adadurov, A.F. Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| title | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators |
| title_alt | Исследование радиационного и естественного старения пластмассовых сцинтилляторов Дослідження радіаційного і природного старіння пластмасових сцинтиляторів |
| title_full | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators |
| title_fullStr | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators |
| title_full_unstemmed | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators |
| title_short | Study of radiation and natural aging of plastic scintillators |
| title_sort | study of radiation and natural aging of plastic scintillators |
| topic | Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| topic_facet | Применение ускорителей в радиационных технологиях |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79873 |
| work_keys_str_mv | AT khlapovanp studyofradiationandnaturalagingofplasticscintillators AT senchyshynvg studyofradiationandnaturalagingofplasticscintillators AT lebedevvn studyofradiationandnaturalagingofplasticscintillators AT adadurovaf studyofradiationandnaturalagingofplasticscintillators AT khlapovanp issledovanieradiacionnogoiestestvennogostareniâplastmassovyhscintillâtorov AT senchyshynvg issledovanieradiacionnogoiestestvennogostareniâplastmassovyhscintillâtorov AT lebedevvn issledovanieradiacionnogoiestestvennogostareniâplastmassovyhscintillâtorov AT adadurovaf issledovanieradiacionnogoiestestvennogostareniâplastmassovyhscintillâtorov AT khlapovanp doslídžennâradíacíinogoíprirodnogostarínnâplastmasovihscintilâtorív AT senchyshynvg doslídžennâradíacíinogoíprirodnogostarínnâplastmasovihscintilâtorív AT lebedevvn doslídžennâradíacíinogoíprirodnogostarínnâplastmasovihscintilâtorív AT adadurovaf doslídžennâradíacíinogoíprirodnogostarínnâplastmasovihscintilâtorív |