ГЛАВА 2
РАЗРАБОТКА ЭКСТРУЗИОННОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТМАССОВЫХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ
2.1. Анализ существующих технологий получения пластмассовых сцинтилляторов
Основные способы получения пластмассовых сцинтилляторов можно разделить на две группы в зависимости от применяемого исходного сырья. В данный момент существует два варианта: получение из мономера путем полимеризации, или из готовых полимерных гранул общепромышленного или оптического назначения. К первой группе относится блочная полимеризация с последующей механической обработкой [21], полимеризация в формах между полированных стекол [21,22,23], а также методы непрерывной фронтальной полимеризации. Во вторую входят метод литья под давлением и метод экструзии [24,25,26]. При получении ПС литьем и экструзией структура и свойства сцинтиллятора зависит от качества сырья, технологических режимов переработки и наличия пластификатора [27,28]. Особое внимание уделяется тщательному подбору режимов переработки, которые позволяют избежать деструкции полимера, его пожелтения и образования свилей [29,30,31,32,33]. Каждому из вышеперечисленных методов присущи свои преимущества и недостатки, которые в конечном итоге определяются именно видом используемого сырья.
При анализе методов получения следует учитывать два аспекта: качество полученных ПС с одной стороны, и технологичность, производительность метода, с другой. Прозрачность полимера, оптическая однородность и световой выход, отсутствие остаточных напряжений и микровключений в полимерной матрице, заданная молекулярная масса и малое молекулярно-массовое распределение - главные показатели качества пластмассовых сцинтилляторов. Также, очень часто к ним прибавляются требования к качеству поверхности, обеспечивающей высокий коэффициент отражения. С точки зрения технологичности, методы получения оценивают по производительности, трудоемкости, универсальности, материалоемкости. В конечном итоге все это складывается в себестоимость ПС, что тоже немаловажно, учитывая огромные количества сцинтилляторов, применяемых в современных детекторах.
При разработке новых способов получения ПС следует тщательно проанализировать существующие методы, определить их преимущества и недостатки, выделить главные причины, влияющие на них. Необходимо также учитывать назначение пластмассового сцинтиллятора, требования к его качеству, форму и габаритные размеры.
Рассмотрим основные подходы, технологические схемы и особенности получения пластмассовых сцинтилляторов.
Метод блочной полимеризации с последующей механической обработкой позволяет получить наиболее чистый полимер. Данная технология получения крупногабаритных ПС состоит из двух этапов: получение сцинтилляционных заготовок методом термоинициированной полимеризации стирола в массе, механическая обработка пластика. Технологическая схема получения сцинтилляционных заготовок (первый этап) состоит из следующих основных стадий [34]:
* входной контроль качества сырья, предварительная подготовка стирола и люминесцентных добавок;
* приготовление сцинтилляционной композиции (растворение ЛД в стироле);
* микрофильтрация раствора и загрузка в ампулу;
* проведение полимеризации по следующему температурному режиму - начальный этап ( Т=110-130 ОС ), кипение реакционной массы, заключительная полимеризация (Т=150-160 ОС);
* отжиг полимерного блока до комнатной температуры.
Реализация данного технологического процесса позволяет получать сцинтилляционный полимер с высокой прозрачностью и оптической однородностью, без микровключений и остаточных напряжений. Варьируя температурно-временные условия полимеризации и отжига можно получать полимер с заданными молекулярной массой и молекулярно-массовым распределением. При последующей механической обработке крупногабаритных заготовок (распиловка, лезвийная обработка, доводочная обработка) получают готовый сцинтиллятор заданной формы и размера.
Преимуществами данного способа получения являются прежде всего высокие оптические и сцинтилляционные характеристики пластмассового сцинтиллятора. Объемная длина затухания (BAL) полимеризационных пластиков составляет более 3,5 метров, что определяет высокий световой выход. Среди недостатков следует выделить трудоемкость и материалоемкость процесса, ограниченность максимальных размеров сцинтилляторов (длина до 4 метров), значительные расходные потери при механической обработке. Основной вклад в трудоемкость вносит механическая обработка, особенно получение высокого качества поверхности. Это приводит к увеличению себестоимости полимеризационных сцинтилляторов, стоимость составляет от 40 до 100 $/кг.
Метод блочной полимеризации с последующей механической обработкой применяется для получения сцинтилляционных пластин, тайлов, цилиндров, сцинтилляторов сложной формы.
Получение ПС по стеклянной технологии путем термоинициированной свободно-радикальной полимеризации стирола в формах из силикатного стекла [35,36,37]. Полимеризационный процесс осуществляется между двумя полированными стеклами, благодаря чему поверхность пластины имеет малую шероховатость и не требует дополнительной механической обработки. Технологическая схема принципиально не отличается от блочной полимеризации, однако имеет существенные особенности. Особенностями данной технологии являются: проведение процесса без кипения, которое приводит к образованию пузырей в объеме полимера; обеспечение герметичности формы, исключающей доступ кислорода к реакционной массе; малая адгезия на границе полимер-стекло для формирования гладкой поверхности пластин. Очевидные преимущества данного метода при получении сцинтилляционных пластин: получение практически готового изделия, минимальные расходы на механическую обработку, малый расход готового материала. Недостатком стеклянной технологии является сложность и высокая стоимость аппаратурного оформления, необходимость точного соблюдения температурно-временных режимов, даже незначительное нарушение которых может