Введение

С момента своего развития в середине XX века метод жидкостного сцинтилляционного счёта стал краеугольным камнем исследований в области ядерной физики, биомедицины и наук об окружающей среде. Его основной принцип заключается в том, что энергичные частицы, выделяющиеся при распаде радионуклидов, взаимодействуют со сцинтилляционной жидкостью, преобразуя энергию в видимые фотоны. Эти фотоны преобразуются в электрические сигналы фотодетекторами (например, фотоумножителями, ФЭУ), которые в конечном итоге анализируются для количественного определения количества радиоактивного материала.

Хотя аура методов жидкостного сцинтилляционного счета часто сосредоточена на детекторе или самой сцинтилляционной жидкости, сцинтилляционные флаконы как контейнеры, которые непосредственно инкапсулируют образец и сцинтилляционную жидкость, являются ключевым скрытым фактором, определяющим успех или неудачу эксперимента.

В текущем исследовании по-прежнему существуют проблемы с конструированием сцинтилляционных флаконов. Цель данной статьи — систематически проанализировать влияние назначения и конструкции сцинтилляционных флаконов на их характеристики, а также предоставить исследователям теоретическую основу и практические рекомендации по выбору и использованию сцинтилляционных флаконов посредством анализа назначения, оптимизации конструкции, выбора материала и повышения эффективности.В то же время компания с нетерпением ждет дальнейшего развития направления, обеспечивая поддержку дальнейшей оптимизации и расширению применения технологии LSC.

Обзор технологии жидкостного сцинтилляционного счета

1. Основной принцип: точная цепь преобразования энергии

В основе метода жидкостного сцинтилляционного счета лежит весь процесс преобразования энергии радиоактивного распада в оптические сигналы посредством сцинтилляционной жидкости, а его технический процесс можно разделить на возбуждение излучения, генерацию фотонов, регистрацию оптического сигнала и анализ данных.

2. Анализ ключевых технологических сегментов

• Контроль стабильности сцинтилляционного раствора: избегайте гидролиза (например, в сцинтилляционный раствор на основе этиленгликоля необходимо добавлять антиоксидант BHT) или фотолиза (раствор на основе толуола необходимо хранить вдали от света); часть сцинтилляционного раствора (например, система этиленгликоля, содержащая PPO) легко поглощает кристаллы при низких температурах (<4℃), что приведет к резкому падению эффективности светового потока.

• Оптимизация чувствительности детектора: новые технологии обнаружения, такие как кремниевые фотодиоды с широкой спектральной чувствительностью и низким уровнем шума, подходят для обнаружения слабых световых сигналов; многоканальные матрицы детекторов можно комбинировать с параллельной обработкой сигналов для повышения скорости высокопроизводительного анализа образцов.

• Инкапсуляция и очистка образцовИнкапсуляция и очистка образцов: Герметичность сцинтилляционных флаконов требует, чтобы гелиевый масс-спектрометр регистрировал утечку менее 1×10-⁹ Па·м³/с, что также предотвращает проникновение кислорода, вызывающего окислительную деградацию сцинтиллята. Для очистки можно использовать ионообменные смолы, удаляющие ионы металлов и снижающие фоновую скорость счета. Нитрат цинка/ферроцианид калия используется для концентрирования радионуклидов до гранулированного состояния, что уменьшает объем раствора и повышает эффективность инкапсуляции.

Технология жидкостного сцинтилляционного счёта обеспечивает высокочувствительное обнаружение низкоэнергетических радионуклидов путём преобразования энергии радиоактивных частиц в световой сигнал. Её эффективность зависит от оптимизации ключевых технических аспектов, таких как стабильность сцинтилляционной жидкости, чувствительность детектора, а также инкапсуляция и очистка образца. Будучи основным компонентом инкапсуляции образца, сцинтилляционная жидкость играет незаменимую роль в этих процессах, а её конструкция и выбор материала оказывают существенное влияние на общую эффективность технологии ЖСК.

Основные характеристики и конструкция сцинтилляционных флаконов

1. Функции контейнера

• Уплотнение: Сцинтилляционные флаконы должны иметь отличную герметизацию, чтобы предотвратить утечку радиоактивных газов и исключить попадание внешних загрязнителей во флакон.

• Совместимость: Сцинтилляционные флаконы должны быть совместимы с широким спектром сцинтилляционных жидкостей, чтобы гарантировать, что они не будут вступать в химические реакции или физически деформироваться при длительном контакте.

2. Выбор материала

• Стекло: высокая светопропускаемость для максимальной эффективности передачи фотонов; превосходная химическая стабильность, коррозионная стойкость, подходит для широкого спектра сцинтилляционных жидкостей; низкий уровень фонового излучения, подходит для высокочувствительного детектирования. Однако стекло хрупкое и тяжёлое.

• Пластик: лёгкий и ударопрочный, простой в эксплуатации и транспортировке. Однако некоторые виды пластика содержат природные радионуклиды, химически менее стабильны и могут вступать в реакцию с некоторыми сцинтилляционными жидкостями.

• Отделка поверхности: На внутреннюю стенку бутылки наносят покрытие из таких материалов, как диоксид кремния, чтобы повысить эффективность отражения и пропускания света, а также увеличить выход фотонов.

3. Оптимизация формы и структуры

• Дизайн горлышка бутылки: Узкое отверстие уменьшает поток жидкости, уменьшает помехи, вызванные рассеиванием света, и улучшает постоянство сигнала.

• Избегание света: темная окраска бутылки или покрытия может препятствовать внешним световым помехам, снижать фоновый шум и улучшать соотношение сигнал/шум.

• Другие оптимизированные конструкции: сцинтилляционные флаконы с коническим дном или специальной конструкцией внутренних стенок уменьшают количество остатков образца и повышают показатели восстановления; микрофлаконы подходят для тестирования микрообразцов, что позволяет уменьшить количество сцинтилляционного раствора и снизить затраты.

Конструкция и выбор материала сцинтилляционных флаконов оказывают существенное влияние на их характеристики. Чувствительность обнаружения и точность сцинтилляционного счёта в жидкой фазе могут быть значительно улучшены за счёт оптимизации герметизации, совместимости, выбора материалов, формы и конструкции. В будущем, благодаря применению новых материалов и технологий, характеристики сцинтилляционных флаконов будут ещё больше улучшены, что обеспечит более надёжную поддержку развитию технологии жидкостной сцинтилляции (ЖСК).

Важнейшая роль сцинтилляционных флаконов

1. Повышенная чувствительность обнаружения

• Низкий уровень шума: Снижение попадания радиоактивных примесей за счёт выбора материалов и методов герметизации, использования боросиликатного стекла с низким содержанием калия или высокочистых пластиков для снижения содержания природных радионуклидов. Для снижения взрывного воздействия кислорода и влаги на сцинтилляционную жидкость используются методы вакуумной герметизации или заполнения инертным газом.

• Высокая энергоэффективность: оптимизированная прозрачность стенки бутылки обеспечивает максимальный захват сцинтилляционного света детектором.

2. Гарантия экспериментальной достоверности

• Стабильность образца: долговременная герметизация предотвращает улетучивание и деградацию, подходит для длительных экспериментов. Высококачественная конструкция крышки гарантирует отсутствие утечки и загрязнения образцов при длительном хранении и транспортировке.

• Контроль повторяемости: стандартизированные спецификации контейнеров снижают экспериментальные ошибки между партиями, а использование сцинтилляционных флаконов одинакового размера, формы и материала обеспечивает единообразие условий эксперимента.

3. Расширенные сценарии применения

• Обнаружение микрообъемов: Микросцинтилляционные флаконы поддерживают высокопроизводительный анализ образцов и подходят для обнаружения микрообъемов образцов, снижая расход реагентов и затраты на эксперимент.

• Совместимость с экстремальными условиями: Изготовленный из термостойкого стекла или специального пластика, он подходит для стерилизации в автоклаве при специальных условиях исследования окружающей среды или для хранения при низких температурах.

Сцинтилляционные флаконы повышают чувствительность обнаружения благодаря низкому фоновому шуму и эффективной передаче энергии в технологии жидкостного сцинтилляционного счёта, а также гарантируют экспериментальную надёжность благодаря контролю стабильности образца и воспроизводимости. Кроме того, миниатюрная конструкция, совместимая с экстремальными условиями, расширяет возможности их применения, обеспечивая мощную поддержку исследований в области ядерной физики, биомедицины и мониторинга окружающей среды. В будущем, по мере развития материаловедения и производственных технологий, характеристики сцинтилляционных флаконов будут и дальше улучшаться, закладывая прочную основу для инноваций и расширения применения метода сцинтилляционного счёта с жидкостным сцинтилляционным счётом.

Примеры практического применения

1. Биомедицинская область

• Количественное определение радиоактивного индикатора в радиоиммунном анализеРадиоиммунный анализ (РИА) — высокочувствительный метод обнаружения биомолекул, широко используемый для количественного анализа гормонов, лекарственных препаратов и опухолевых маркеров. Сцинтилляционные флаконы используются для хранения радиоактивно меченых комплексов антиген-антитело и сцинтилляционных растворов, обеспечивая эффективное обнаружение радиофармпрепаратов благодаря высокой светопропускающей способности и низкому фону.

2. Мониторинг безопасности атомной энергетики

• Обнаружение следов радиоизотопов в ядерных отходахЯдерные отходы содержат широкий спектр радиоизотопов, которые необходимо тщательно контролировать для обеспечения экологической безопасности. Сцинтилляционные флаконы используются для инкапсуляции экстрактов ядерных отходов и сцинтилляционных жидкостей для радиографического обнаружения, предотвращая утечку радиоактивных материалов через коррозионно-стойкие материалы и герметичные уплотнения.

3. Науки об окружающей среде

• Отслеживание радионуклидов в атмосферных аэрозолях: Радионуклиды в атмосферных аэрозолях являются важными индикаторами для изучения атмосферных процессов и загрязнения окружающей среды. Сцинтилляционные флаконы используются для сбора и обнаружения радионуклидов в аэрозольных пробах, повышая чувствительность обнаружения низкоактивных образцов благодаря конструкции, исключающей проникновение света, и эффективной передаче энергии.

4. Другие области применения

• Безопасность пищевых продуктов: Сцинтилляционные флаконы можно использовать для обнаружения радиоактивного загрязнения пищевых продуктов.

• Геологическое датирование: датирование путем измерения радиоактивных изотопов в горных породах и минералах.

• Открытие лекарств: сцинтилляционные флаконы используются для изучения кинетики метаболизма радиоактивно меченых препаратов.

Сцинтилляционные флаконы доказали свою незаменимую роль в практическом применении в таких областях, как биомедицина, мониторинг ядерной безопасности и экология. Благодаря высокой чувствительности, стабильности и разнообразию конструкций, сцинтилляционные флаконы обеспечивают надежную поддержку обнаружения радиоактивности и способствуют исследованиям и технологическому прогрессу в смежных областях. В будущем, с постоянным расширением сферы применения, сцинтилляционные флаконы сохранят свою уникальную ценность во всё большем количестве областей.

Проблемы и направления совершенствования

1. Существующие ограничения

• Хрупкое стекло приводит к эксплуатационным рискам: Хотя стеклянные сцинтилляционные флаконы обладают высокой прозрачностью и химической стабильностью, их хрупкость может привести к утечке образца или прерыванию эксперимента при транспортировке и использовании. Это может привести к увеличению затрат на эксперимент, особенно в высокопроизводительных или автоматизированных экспериментах.

• Пластик может иметь проблемы со старением: Пластиковые сцинтилляционные бутылки при длительном использовании или воздействии экстремальных условий (таких как высокие температуры, сильные кислоты и щелочи) могут стареть, что приводит к ухудшению физических свойств или химической совместимости, что снижает надежность и воспроизводимость экспериментальных результатов.

• Проблема фонового шума: Некоторые пластиковые материалы могут содержать естественные радиоактивные примеси, которые увеличивают фоновый уровень и влияют на чувствительность обнаружения образцов с низкой активностью.

• Стоимость и экологические проблемы: Высококачественное стекло или специальные пластиковые материалы стоят дорого, а одноразовые сцинтилляционные флаконы могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду.

2. Технологические инновации

• Разработка новых композиционных материаловСочетая высокую химическую стабильность керамики и ударопрочность пластика, мы разрабатываем новые композитные материалы на основе керамики, устойчивые к высоким температурам, коррозии и низкому уровню фонового шума, что делает их пригодными для экстремальных условий и обеспечивает высокую чувствительность обнаружения. Разработка биоразлагаемых пластиковых материалов снижает нагрузку на окружающую среду и подходит для одноразовых экспериментов, что соответствует концепции устойчивого развития.

• Оптимизация технологии обработки поверхности: нанесение нанопокрытий, улучшающих оптическую составляющую, на внутренние стенки бутылок для повышения эффективности передачи фотонов. Это дополнительно повышает чувствительность обнаружения, что позволяет проводить детектирование микрообразцов.

3. Оптимизация технологии обработки поверхности

• Технология нанопокрытия: на внутреннюю стенку сцинтилляционных флаконов наносятся наноразмерные оптически улучшенные покрытия для повышения эффективности пропускания фотонов. Это дополнительно повышает чувствительность обнаружения и подходит для обнаружения следовых количеств образцов.

• Противообрастающие покрытия: Противообрастающие покрытия были разработаны для минимизации остатков образцов и повышения показателей извлечения ценных образцов или сценариев повторного использования.

Хотя сцинтилляционные флаконы играют ключевую роль в технологии жидкостного сцинтилляционного счёта, они по-прежнему сталкиваются с определёнными проблемами, связанными со свойствами материалов, эксплуатационной безопасностью и защитой окружающей среды. Эффективность и область применения сцинтилляционных флаконов могут быть значительно улучшены благодаря исследованиям в различных областях. В будущем, с развитием материаловедения и технологий производства, сцинтилляционные флаконы добьются ещё больших успехов в плане чувствительности, надёжности и экологичности, что придаст новый импульс развитию технологии жидкостного сцинтилляционного счёта.

Выводы и перспективы

Сцинтилляционные флаконы, являясь ключевым компонентом технологии жидкостного сцинтилляционного счёта (ЖСС), играют незаменимую роль в детектировании радиоактивности благодаря постоянной оптимизации материалов, структур и процессов. Инновации в области материалов, оптимизация структуры, совершенствование процессов и другие виды оптимизации являются основными инструментами, способствующими превращению сцинтилляционных флаконов в технологию жидкостного счёта, широко применяемую в биомедицине, мониторинге безопасности ядерной энергетики, экологии и других областях.

Благодаря стремительному развитию материаловедения, нанотехнологий и технологий автоматизации, в будущем сцинтилляционные флаконы будут обладать более высокой производительностью, более продуманной и экологичной конструкцией. Эти инновации не только будут способствовать развитию технологии сцинтилляционного счёта, но и предоставят более мощные инструменты и поддержку для исследований в области ядерной физики, биомедицины и экологии. Ожидается, что в будущем сцинтилляционные флаконы станут более эффективным, надёжным и экологичным основным компонентом технологий обнаружения радиоактивности.