Increasing the uniformity of characteristics of a plastic scintillator by reducing its internal stresses

This paper presents the results of the study of internal stresses effect on the light collection uniformity in a plastic scintillator (PS) and setting conditions for obtaining long plastic scintillators with a low level of internal stresses. Plastic scintillators based on polystyrene were used as test samples, produced in an air polymerizer from styrene monomer by radical thermoinitiated polymerization in an aluminum ampoule. To reduce internal stresses in the polystyrene polymer base of the PS, scintillator samples were annealed at a temperature of 100 °С. After a 12 hours exposure, the samples were gradually cooled at a rate of 2.5 °C/h. To reduce the surface tension due to the adhesion of the PS to the walls of the polymerization mold, the inner coating of the polymerization mold with polytetrafluoroethylene was used. The values of internal stresses in the PS material before and after additional annealing of the samples, as well as in the case of using the anti-adhesive coating, were determined. The control of internal stresses was carried out using a PKS-250M circular polariscope. To calculate the internal stresses, the difference of main stresses in the flat plates of the plastic scintillator was calculated. The dimensions of scintillator plates for evaluation of internal stresses are 10×50×300 mm. To measure the uniformity of the relative light output distribution along the long plastic scintillator, samples with dimensions of ø50x1000 mm were used. The obtained data showed that additional annealing of plastic scintillator blanks and the use of anti-adhesive coating for the polymerization mold reduce the level of internal stresses in the plastic scintillator from 1.8÷2.9 MPa to 0.55÷1.0 MPa. The nonuniformity of the relative light output distribution along the long plastic scintillator with dimensions of ø50x1000mm was reduced to ΔС ≤3 %

Possible reasons for cracking of composite scintillators after irradiation in an electron accelerator at a high dose rate

Possible reasons for cracking of composite scintillators after irradiation in an electron accelerator at a high dose rate are proposed. The main causes of cracking of composite scintillators, such as ionizing radiation and thermal expansion, are considered. Ionizing radiation can affect the polymer part of the composite scintillator, while thermal expansion mainly affects the crystal grains. A possible mechanism of cracking the composite scintillator during high dose rate irradiation is described.Запропоновано можливі причини розтріскування композиційних сцинтиляторів після опромінення в прискорювачі електронів із великим темпом опромінення. Розглянуто основні причини розтріскування композиційних сцинтиляторів, такі як іонізуюче випромінювання та теплове розширення. Іонізуюче випромінювання може впливати на полімерну частину композиційного сцинтилятору, тоді як теплове розширення в основному впливає на кристалічні гранули. Описано можливий механізм розтріскування композиційного сцинтилятору під час опромінення із великим темпом

Influence of radiation conditions on cracking of composite scintillators

The article analyzes two main hypotheses describing the cracking of a composite scintillator in the irradiation zone. This is the "temperature" and "radiation-chemical" hypothesis of cracking. The analysis is based on experimental data that we obtained by irradiating scintillators and the results of model chemical experiments.Аналізуються дві основні гіпотези, що описують розтріскування композиційних сцинтиляторів у зоні опромінення. Це «температурні» і «радіаційно-хімічні» можливі причини розтріскування. Аналіз заснований на експериментальних даних, отриманих нами при опроміненні сцинтиляторів, і результатах модельних хімічних експериментів.Анализируются две основные гипотезы, описывающие растрескивание композиционного сцинтиллятора в зоне облучения. Это «температурные» и «радиационно-химические» возможные причины растрескивания. Анализ основан на экспериментальных данных, полученных нами при облучении сцинтилляторов, и результатах модельных химических экспериментов

Radiation resistance of composite scintillators

Radiation resistance of composite scintillators containing grains of organic or inorganic single crystals has been analysed. The analysis is based on the study of composite scintillators containing grains Gd₂SiO₅:Ce (GSO:Ce), Gd₂Si₂O₇:Ce(GPS:Ce), Al₂O₃:Ti, Y₂SiO₅:Ce (YSO:Ce) or Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG:Ce) . This paper presents the results of research and suggests possible mechanisms as well as processes of radiation changes that occur in scintillators due to irradiation. It also discusses how these effects can affect the scintillation characteristics of composite scintillators exposed to radiation.Проаналізовано радіаційну стійкість композиційних сцинтиляторів, на основі гранул органічних та неорганічних монокристалів. Аналіз ґрунтується на вивченні композиційних сцинтиляторів, що містять гранули Gd₂SiO₅:Ce (GSO:Ce), Gd₂Si₂O₇:Ce(GPS:Ce), Al₂O₃:Ti, Y₂SiO₅:Ce (YSO:Ce) або Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG:Ce). Представлені результати досліджень та запропоновано можливі механізми та процеси радіаційних змін, що виникають у сцинтилляторах під дією іонізуючого опромінення. Також представлено, як ці ефекти впливають на радіаційну стійкість композиційних сцинтиляторів.Проанализирована радиационная стойкость композиционных сцинтилляторов, содержащих гранулы органических и неорганических монокристаллов. Анализ основан на изучении композиционных сцинтилляторов, содержащих гранулы Gd₂SiO₅:Ce (GSO:Ce), Gd₂Si₂O₇:Ce(GPS:Ce), Al₂O₃:Ti, Y₂SiO₅:Ce (YSO:Ce) або Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG:Ce). Представлены результаты исследований и предлагаются возможные механизмы и процессы радиационных изменений, происходящих в сцинтилляторах под действием ионизирующего облучения. Также представлено, как эти эффекты влияют на радиационную стойкость композиционных сцинтилляторов

The stress-strain state of deformed NaCI type single crystals with the sample height smaller than the base side

A real modelling of the mass transfer process in a crystal by visualization of the crystal material motion under deformatioin using markers as well as structure studied have revealed inhomogeneity in the stress fields and in the crystal dislocation structure. Four crystal regions have been distinguished differing in the dislocation structures and the dislocation interaction mechanisms. For each region, the structure evolution has been studied and the structure state diagram has been constructed as a function of the prestrainin rate

Advanced method of scintillator energy resolution test

This work is devoted to the development of advanced method of scintillator energy resolution test. Separation of scintillation photons for different groups in accordance with statistical methods allows to extract some groups of photons that give better resolution values comparing to conventional approach. It is shown that new method could be useful for analysis of scintillation uniformity of detector

Scintillation characteristics of deformed large-sized NaI crystals

The effect of plastic deformation on defect structure and functional parameters of NaI based crystals and scintillator NaI(Tl) in particular has been studied. Plastic flow modeling in decorated samples as well as in large size crystal blanks demonstrated significant non uniformity of the deformation map along the sample. Scintillation parameters (light output and energy resolution) are practically the same through the whole crystal volume. Post deformation scintillation parameters are similar to the single crystal ones. This phenomenon is typical for the wide range of temperature and deformation rates for this type of crystals

Fringe effects in large-area scintillation detectors

The light reflection conditions near the crystal fringes are known to differ from those in the sample middle part due to additional reflections from the butt surfaces. Such effects may be insignificant (as, for example, in most standard spectrometric detectors) but may be of importance in image visualization systems (as gamma cameras). In this work, the light yield inhomogeneities near the butt surfaces of gamma camera detectors are studied. Seven types of the crystal surface treatment and the reflecting coating materials are considered.Відомо, що поблизу країв кристала умови віддзеркалення світла відрізняються від середньої частини зразка завдяки існуванню додаткових віддзеркалень світла від торцевих поверхонь. Такі ефекти можуть бути несуттєвими (як, наприклад, для більшості стандартних спектрометричних детекторів), але у випадку систем візуалізації зображень (гамма камера, наприклад) можуть відігравати суттєву роль. У роботі досліджуються неоднорідності світлового виходу поблизу торцевих поверхонь детекторів для гама камер. Розглядаються сім варіантів обробки поверхні кристалау та вибору матеріалу світловідбиваючих покриттів.Известно, что вблизи краев кристалла условия отражения света отличаются от таковых в средней части образца из-за дополнительных отражений света от торцевых поверхностей. Такого рода эффекты могут быть несущественными (как, например, для большинства стандартных спектроскопических детекторов), но в случае систем для визуализации изображений (гамма камера, например) могут играть существенную роль. В работе исследуются неоднородности светового выхода вблизи торцевых поверхностей детекторов для гамма камер. Рассматриваются семь вариантов обработки поверхности кристалла и выбора материала светоотражающих покрытий

Multi-layered composite detectors for neutron detection

The paper considers the influence of manufacturing technological features of composite scintillator with optimal scintillation characteristics based on heavy-oxide crushed single crystals for making ZEBRA-detectors for fast neutrons registration. It has been shown that registration efficiency of fast neutrons by multi-layered ZEBRA-detectors based on crushed Bi₄Ge₃O₁₂, Gd₂SiO₅:Ce and ZnWO₄ crystals achieved the value about 50 %. Sensitivity of ZEBRA-detectors with size of 100×100×41 mm³ is comparable to sensitivity of 3He counter with moderator. ZnWO4 powder obtained by solid state synthesis is proposed as an alternative filler to crushed crystal powders for scintillation composite. Results of measurements of technical detection efficiency and sensitivity for fast neutrons (sources Pu-Be and ²⁵²Cf) showed that detection efficiency of ZEBRA-detector based on synthesized scintillation ZnWO₄ powder is comparable with detector based on crushed ZnWO₄ single crystal of the same size. Qualitative explanations are presented for abnormal high sensitivity of multi-layered composite detectors. ZEBRA-detector is promising for application in the field of homeland security and nuclear safeguards