文摘

本文提出一种新的基材,酒精和水的混合物,液体闪烁体。有可能使用酒精作为一种新的检测解决方案的粒子探测器。液体闪烁体在各领域的广泛应用,因为其高收益率。此外,它是非常重要的建立一个稳定的液体闪烁体粒子探测器或其他医学应用。到目前为止,没有以前的研发研究粒子探测器使用酒精的其他地方,这种类型的和没有市场的产品。因此,有改进的余地。介绍了短暂的含酒精的液体闪烁体的合成过程通过改变每个组件的混合比,使液体闪烁体。几种可行的物理和光学性质研究了含酒精的液体闪烁体的。最后,作为它的一个应用程序,一个范围(光束路径长度)测量使用电子束辐射后介绍了医学物理学的含酒精的液体闪烁体与电子束能量6 ~ 12兆电子伏。测量结果与蒙特卡罗模拟相比,诺瓦利斯Tx,幽灵和CT图像。 In the near future, the new alcohol-based liquid scintillator could be used for particle detector or medical imaging applications.

1。介绍

液体闪烁体(LS)广泛用于核粒子,和医学物理学1- - - - - -5]。一般来说,液体闪烁体包含有机溶剂的混合物和萤石。溶剂具有芳香环和吸收入射粒子的能量。溶剂中来回传递的能量系统,允许有效捕获通过溶解萤石。主萤石的目的是去接激发能从溶剂和散发出光能量的一部分。最主要萤石发光与波长较短的紫外线(UV)范围超过400海里。此外,二次波长移相器(WLS)有时会为了增加波长转移到光电倍增管(PMT)的敏感地区。发射的荧光检测到光PMT。通常,PMT bialkali光电阴极的最大量子效率(QE)在波长400 ~ 430纳米左右。LS发出的光越多,产生的脉冲PMT的大小。 In addition, in order for the light to reach the PMT, the LS should have as few impurities as possible and excellent physical and optical properties.

由于苯(C₆H₆)被用作LS基本溶剂在1950年代,二氧六环(C₄H₈O₂)、甲苯(C₇H₈)和二甲苯(Cylene C₈H₁₀)都被开发出来。随后,三甲基苯- (PC - C₉H₁₂)基于LS发达国家在1970年代已经使用了很长一段时间由于其优良的光发射。然而,电脑也有苯环和低闪点(~ 45°C)。自1980年代以来,已经进行了很多尝试替换它,因为人类和环境的潜在危害。更现代的可生物降解的一次性溶剂,phenylxylylethane (PXE C₁₆H₁₈),diisopropylnaphthalene (DIN, C₁₆H_20.)和线性烷基苯(实验室,C_nH_{2n+ 1}- c₆H₅, )在1980年代早期开发。这些都是用作基础是什么溶剂在反应堆中微子实验和下一代中微子实验(6,7]。萤石,2,5-diphenyloxazole (C₁₅H₁₁不,PPO)是经常使用的。1,二级WLS 4-bis (5-phenyl-2-oxazolyl)苯(C₂₄H₁₆N₂O₂POPOP)和1 4-bis (2-methylstyryl)苯(C₂₄H₂₂bis-MSB)可以添加。

2。动机

本研究着重于使用酒精溶解萤石的方法不使用过程中表面活性剂的开发水性LS,可以与水和油混合而成。研究了醇,乙醇(C₂H₅哦),被称为酒精。这种类型的酒特有的气味,易燃化合物是主要的组件之一。酒精的蒸汽爆炸,这通常是工业上用作溶剂,消毒剂,和燃料。它在室温下是一种无色液体。熔点为-114.5°C,沸点为78.32°C,摩尔质量是46.07克/摩尔,密度为0.789克/厘米³。闪点是16.6°C时接触外部火焰,而且燃点365°C在它的自然状态。萤石是相对较好溶于酒精;此外,酒精和水也可以互相混合。因此,萤石后溶解在酒精和稀释用水,我们预计,如果酒精慢慢蒸发,只会有萤石没有使用表面活性剂在水中。然而,成果是完全不同的根据酒精和水的混合比。

另一方面,当执行核辐射对人体实验领域的医学物理学,用水稀释的酒精是用来制造一个等价的物质对人类皮肤等材料。因此,使用酒精作为溶剂的可能性在LS调查。然而,这种LS的密度仍然相当低人力材料;另外,二级WLS不溶解在这种混合物。因此,在这项研究中,2-ethoxyethanol (C₄H₁₀O₂乙二醇乙醚(EGEE))被用于制造一个LS密度与人体相似,萤石和二级WLS溶解。2-Ethoxyethanol是透明无色,沸点135°C, 44°C的闪点,90.12克/摩尔的摩尔质量,密度为0.930克/厘米³。它与水混合,酒精,丙酮,等等。这是广泛应用于生物、化工、和研究目的,因为它也溶解油、树脂、油脂、蜡。此外,因为它是与水稀释,安全隐患的风险由于蒸汽压和低闪点,酒精的一个共同的缺点,减少。此外,通过溶解萤石和二级WLS密度可以进一步增加。通过多元化LS组件,它可以更加类似于人体所需的组件。

没有研究酒精LS直接合成和使用探测器或医学物理学;因此,没有研发这种实验的结果。在医学物理学,它是用于剂量测定法系统(8]。一般来说,一个塑料闪烁体是昂贵和有缺点,它不能使用很长一段时间,因为它变成了污染和彩色暴露在大量的辐射。然而,LS是相对便宜和容易替换。通过改变组件构成的混合比LS,其物理和光学性质,光收益率,和范围(“光路长度”)可以很容易地控制。

此外,作为一个例子使用含酒精的LS,我们测量的“范围”与电子束辐照。一系列的平均距离意味着带电粒子能穿透物质。电子束已经使用超过20年的医学物理学。这是一个重大的改进在治疗只有x射线。安装的高能直线加速器,电子束治疗是目前越来越多的使用。照射损害正常和癌组织但引起更多的致命损坏癌症组织由于细胞分裂快得多。正常组织恢复以来随着时间的推移,医学物理学现在应用的方法的电子束辐射小剂量多次目标区域,避免损伤重要的身体器官。

医学物理学涵盖了大量的科学领域。因此,本研究的目的之一是研究方法使用含酒精的LS在电子束辐照治疗肿瘤或癌症发生的小面积皮肤表面或表皮。为此,重建通过蒙特卡罗(MC)进行了模拟和计算模拟与检测是使用Geant4执行软件。然后,MC结果与诺瓦利斯Tx相比,幻影,计算机断层扫描(CT)用于癌症治疗的分析结果。

3所示。含酒精的液体闪烁体和结果

3.1。样品合成及光学性质测量

一般来说,优化的萤石的数量在有机LS用于高能物理大约是~ 3 g / l,和WLS ~ 30 mg / l (1,2,4]。PPO溶解在酒精(纯度99.9%)。超纯水是下降的速度每秒一滴,稀释溶液使用搅拌器,搅拌与磁铁条20 rpm。1:1的混合比酒精和超纯水可以混合在几分钟没有任何重大问题,仍然是透明的。如果水不溶解,我们可以混合的时间更长,或者我们可以提高加热温度大约30°C。在这种情况下,它是非常重要的注意实验室安全。然而,当超纯水的比例高于酒精、液体变得不透明,和降水的萤石和二级WLS开始发生在底部。所有样品我们合成表中列出1。它总结了酒精和超纯水的比率,以及萤石和二级WLS的内容。样本和NE样本之间的差异是使用酒精和2-ethoxyethanol。参考(R)示例包含一个混合的实验室和商用DIN(天涯黄金F, UG-F)。PPO是溶解在实验室,3 g / l和30毫克/升二级WLS bis-MSB不一,而钆(Gd)加载在0.5%浓度。这个参考样品是常用的反应堆中微子实验(5,9,10]。

对于酒精在药店出售,用于卫生,水已经混合在一起,大约占30%。另一方面,当酒精的量~ 2倍超纯水,萤石可以溶解~ 7倍相比,优化的LS。这里使用的水是18米Ω微孔产生的超纯水Milli-Q超纯系统。然而,对于二级WLS,一些物质,如POPOP或bis-MSB,缺点是不能溶于乙醇或甲醇(CH₃哦)。因此,2-ethoxyethanol使用;它的密度是人体的没多大区别。它既有亲水和疏水性能。当酒精的比例很高,LS可以应用在医学物理,当水的比例很高,LS可以作为粒子探测器和切伦科夫光。当溶解萤石,订单应该考虑。因为PPO或bis-MSB相对溶于2-ethoxyethanol,最好是先溶解,然后用超纯水稀释。一般来说,bis-MSB的溶解度比POPOP要好。然而,混合后很长一段时间,两者之间没有显著差异。图1显示的照片准备下LS 250 nm紫外线灯照明。含酒精的LS有一种轻微的收益率相比没有明显不同与参考样本。

为了使用含酒精的LS在高能粒子探测器或在医学物理、辐射光必须达到PMT。透光率([T])值测量发现LS的光学透明度值。为此,日本岛津公司UV / vis - 1800分光光度计使用,并扫描从200纳米到700纳米(1纳米增量。吸收(Abs)计算的经验公式, ,在哪里代表了入射光的强度代表发射光的强度。图2显示了透光率值作为波长的函数。~ 360 nm的PPO萤石发光,和二次WLS bis-MSB吸收光的波长和发射在~ 420海里,然后到达PMT。附加的PPO bis-MSB继续波长转移到右边。所有样品有很高的透过率测量值超过97%的可见区域。图2还显示样本之间的能量吸收和发射传输过程。测量荧光光谱,瓦里安卡里Eclipse使用荧光分光计。一个适当的激发波长选择根据每个样本的吸收。荧光测量值在300到550纳米之间。

3.2。含酒精的LS响应测量

3.2.1之上。光率

含酒精的LS的物理和光学性质很重要,但实现充分的光线产生至关重要的粒子探测器中使用(11,12]。发现光屈服属性,使用一个简单的数据采集(采集)系统。采集系统的图解视图可以在图中找到3。容器充满了样本,然后附加到一个2英寸滨松H7195 PMT,并使用了一个源。使用PMT bialkali制成的,有一个量化宽松政策在波长420 nm ~ 23%。数据处理,400 MHz并行模拟-数字转换器(FADC)能够测量脉冲每2.5使用ns。FADC数据收集是连接到一个Linux系统,最后,数据收集和分析使用C编程语言和根。

在样品准备在桌子上1NE3样本主要是调查,因为它充分反映出我们的目的不使用任何表面活性剂所描述的动机。PPO和bis-MSB可以溶解在我们需要的比例。此外,酒精和水的比例也是合适的,这可以很容易地调整比例。其他样品的细微变化NE3样本。因此,如果NE3样本成功,其他样本可以合成。进行更详细的检查,能量谱确定使用^137年Cs(0.662兆电子伏)黑盒设置绘制在图源3。从康普顿散射峰的位置用来测量光产生的样本。当光产生的参考样本(R)是100,含酒精的样本S5获得光的收益率约为40%,2-ethoxyethanol-based NE4样品达到约50%。在一般情况下,样品的光产生S5和bis-MSB显示更明显比POPOP康普顿曲线示例S4。NE3是一个样本中PPO和bis-MSB混合和显示了光收益率约为60%。光收益率NE3可以进一步提高了控制的PPO和bis-MSB。基本上,在样例,乙醇比水的比例较高,像NE3,光产生不同取决于数量的PPO和bis-MSB,但明显可以看到闪烁的光。另一方面,即使在一个示例与NE13等更多的水比酒精,可以诱导控制量最小的光发射的萤石。这是一个有意义的结果表明可能取代传统水性LS使用表面活性剂的缺点。

3.2.2。测量脉冲形状的歧视

当一个LS作为粒子探测器,是很好的区分的能力γ射线和中子。当一个粒子通过LS,粒子的能量损失根据粒子的类型是不同的。因此,它可以区分和快中子事件γ光事件获取总电荷之间的比例( )和尾收费( )的脉搏。因此,脉冲形状歧视(PSD)方法是现在广泛使用的 歧视。PSD的质量以量化方式可以表达的品质因数(FoM)如下13,14]: 在哪里代表两个分布的峰形心之间的距离和各自的标准偏差。这是两个脉冲分布的统计距离对他们的分离。FoM价值越高代表了两个相邻光谱更好的歧视。PSD测量使用^252年Cf,排放源γ射线和快速中子平均2.14兆电子伏能量。图4显示了一个散点图 在我们的样本(NE1 NE3)作为能量的函数。的FoM的力量NE1和NE3样品是2.44和1.54,分别。图4(一)表明,中子和γ可以区别很大在NE1样本。混合UG-F酒精能够区分粒子。但很难中子和之间的分离γ射线NE3情况下,如图4 (b)。数据4 (c)和4 (d)显示条目的函数 用于计算的FoM价值。

3.3。医学应用

3.3.1。蒙特卡罗(MC)模拟设置

作为一个例子使用含酒精的LS,医学物理学研究中使用的可能性。临床上,有用的电子束的能量范围从6到20兆电子伏。在这个能源地区,电子束典型失去能量在大约5厘米的皮肤表面。因此,这提供了合适的表面特征,可以有效地用于治疗肿瘤的同时最小化深层组织损伤(15,16]。

与电子束进行比较测量用于放射肿瘤学治疗,MC模拟进行。一个矩形容器由丙烯酸, ,设计。上面是一个开放的空间,电子束可以直接碰撞;两侧表面是由石英具有良好的光传输,这样电子束可以通过。具体地说,它假定电子束直接事件治疗肿瘤的皮肤表面。含酒精的LS注入0.4 l测量容器中。此外,在实际的放射治疗,该电子束辐照区域皮肤半径约1至1.5厘米和有限的,浅深度;这是这一代的电子束入射点Geant4计算机仿真可以改变了一代点不固定。三种类型的入射能量生成:6、9和12兆电子伏。此外,由于样本用于测距的密度是最重要的因素之一,他们的密度需要用相对较高的测量精度。为了这个目的,一个便携式密度计(da - 130 n,克姆)分辨率为0.001克/厘米³使用在0 ~ 40°C。的密度NE3 28°C (克/厘米³)。

3.3.2。测量光路长度与MC

图5显示了电子束的轨迹旅行到集装箱在12伏电子束注入容器装满三个不同溶剂(酒精、2-ethoxyethanol和超纯水)与不同的密度。密度越小,时间越长。正如我们指出的那样,电子束的范围不是一个概念定义的精度高。在放射治疗领域,最常用的范围是实用范围( )。实用范围通常定义为推断深度剂量曲线的线性部分和轫致辐射的尾巴。实用范围选为这两条线相交的点。轫致辐射占~ 10%的剂量电子束。在超纯水的情况下,经验是 (厘米)17,18]。基于我们的MC仿真结果NE3示例,实际范围是3.1,4.7,和6.3厘米电子束的入射能量是6,9日和12兆电子伏,分别如图6。

3.3.3。诺瓦利斯Tx结果

比较的MC结果酒精LS,一系列的电子束实验测量使用瓦里安诺瓦利斯Tx系统。诺瓦利斯Tx放射治疗系统用于肿瘤和癌症治疗,使用一个线性加速器和扫描电子束从任何角度。电子束能量6、9和12兆电子伏可以生产。图7(一)显示了NE3样本测量范围在矩形丙烯酸容器;数据7 (b)- - - - - -7 (d)显示5秒之后由数码相机拍摄的图像的暴露6,9日12伏,电子束辐射NE3样本。拍摄的图像显示了一个典型的电子束的分布。我们测量了距离电子束容器的顶部的后裔。拍摄的图像存储在三色(RGB)值。一旦RGB值是已知的,他们可以转化为色调,饱和度、价值(HSV)。只有像素超过约20%的亮度(V)的价值选择和用于估计实际范围。当电子束的入射能量6、9和12兆电子伏,距离测量值大约3.2,5.0,和6.5厘米。预测的MC的区别值和距离测量值不是太大了。

3.3.4。幽灵的结果

通过另一种方法验证,幻影技术广泛应用于辐射剂量测量应用。一个幽灵是一个有用的科学工具,确保系统和人体医学成像方法正确操作。它展示了人类组织和器官会有什么样的反应。图8显示当一个12伏电子束事件范围使用幻影(MapPHAN幻影)用于测量辐射剂量。最重要的因素在确定测量范围从一个幽灵是有效原子序数和密度。幻影的密度1.0克/厘米³类似于人体。实用范围得到使用相同的技术应用于图7。当电子束6、9和12兆电子伏辐照,发现魅影的范围是3,4.5,和5.7厘米。预测MC实用范围值之间的差异和实际的范围在《幽灵很小,当考虑之间的密度差MC和幻影。

3.3.5。结果CT图像和诺瓦利斯Tx

进行最终核对后的影像NE3示例使用CT,值模拟与诺瓦利斯Tx。CT拍摄后,CT图像的像素值表示在Hounsfield(胡)单位,然后胡可以转换为一个给定的密度与一个已知的材料类型。共有4096种颜色可以代表使用12位从黑到白。可能的范围是-1024年胡锦涛3071年胡锦涛包括0。例如,空气在肺部表示为黑胡,价值-1024,水是0,和牙釉质,最密集的人体组织,是白色的,价值3071。图9(一个)显示了胡锦涛的CT值NE3样本。LS的胡价值被发现是-75,这是类似于脂肪。脂肪的胡价值大约是-100年。图9 (b)显示了一个模拟图像的NE3 9兆电子伏电子束从瓦里安诺瓦利斯Tx被注入。实用范围得到使用相同的方法应用于图8。而改变电子束的能量到6,9日或12兆电子伏,实用范围值是3.2,4.8,和6.4厘米。

4所示。总结

检测解决方案使用酒精作为一种新型基材是液体闪烁体,开发和使用它的粒子探测器的可能性进行了研究。基本的物理和光学性质,如透光率、吸收、密度、荧光和脉冲形状歧视、测量。含酒精的LS显示高透明度和溶剂之间的能量交换过程和萤石,PPO吸收光谱重叠与bis-MSB发射光谱可以看到在酒精的LS。光发射是可能通过调整LS的组成比例。含酒精的LS的一个示例应用程序,使用它在医学物理学是研究。介绍了一个实用的测距与电子束辐射含酒精的液体闪烁体后6 ~ 12兆电子伏能量。使用几种方法的结果进行了比较和验证(蒙特卡罗模拟、诺瓦利斯Tx MapPHAN幻影,和CT图像与诺瓦利斯Tx)。这些方法之间没有显著差异。未来,这项研究可能有助于改进放射治疗方法使用含酒精的LS等。最后,为了让我们的含酒精的LS作为粒子探测器,有必要可以看到切伦科夫辐射。 Since the current samples are small, amounting to less than 100 ml, research should be conducted with larger size samples. At the same time, the ratio of alcohol to water should be minimized, and optimization studies on fluors and secondary WLS also should be performed. In this paper, we focused on the potential of an alcohol-based LS and several physical and optical properties are listed, but quantitative and systematic studies and longtime stability are required for use in future particle detectors.

数据可用性

所有的数据我们可以找到文章的引用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持由韩国国家研究基金会(NRF) (2019 r1a2b5b01070451)。