Introducere

De la dezvoltarea sa la mijlocul secolului al XX-lea, tehnica de numărare prin scintilație lichidă a devenit o piatră de temelie a cercetării în domeniile fizicii nucleare, biomedicale și științelor mediului. Principiul de bază constă în faptul că particulele energetice eliberate în timpul dezintegrării radionuclizilor interacționează cu fluidul de scintilație, transformând energia în fotoni vizibili. Acești fotoni sunt convertiți în semnale electrice de către fotodetectori (de exemplu, tuburi fotomultiplicatoare, PMT), care sunt în cele din urmă analizați pentru a cuantifica cantitatea de material radioactiv.

Deși aura tehnicilor de numărare prin scintilație lichidă este adesea concentrată pe detector sau pe lichidul scintilant în sine, fiolele de scintilație, ca recipiente care încapsulează direct proba și lichidul scintilant, reprezintă un factor cheie ascuns care determină succesul sau eșecul unui experiment.

Proiectarea fiolelor de scintilație în studiul actual se confruntă încă cu provocări. Scopul acestei lucrări este de a analiza sistematic influența funcției și designului fiolelor de scintilație asupra performanței acestora și de a oferi cercetătorilor o bază teoretică și îndrumări practice în selectarea și utilizarea fiolelor de scintilație prin analizarea funcției, optimizarea designului, selectarea materialului și îmbunătățirea performanței.În același timp, așteaptă cu nerăbdare tendința sa viitoare de dezvoltare, oferind sprijin pentru optimizarea și extinderea aplicațiilor tehnologiei LSC.

Prezentare generală a tehnologiei de numărare cu scintilație lichidă

1. Principiu de bază: Lanț de precizie pentru conversia energiei

Nucleul numărării prin scintilație lichidă constă în întregul proces de conversie a energiei de dezintegrare radioactivă în semnale optice prin intermediul lichidului de scintilație, iar procesul său tehnic poate fi împărțit în excitație prin radiații, generare de fotoni, captare a semnalului optic și analiza datelor.

2. Analiza segmentelor tehnologice cheie

• Controlul stabilității soluției de scintilațieEvitați hidroliza (de exemplu, soluția de scintilație pe bază de etilen glicol trebuie să conțină antioxidantul BHT) sau fotoliza (soluția pe bază de toluen trebuie depozitată ferit de lumină); o parte din soluția de scintilație (de exemplu, sistemul de etilen glicol care conține PPO) este ușor de absorbit în cristale la temperaturi scăzute (<4℃), ceea ce va duce la o scădere bruscă a eficienței luminii emise.

• Optimizarea sensibilității detectoruluiNoile tehnologii de detectare, cum ar fi fotodiodele din siliciu cu răspuns spectral larg și zgomot redus, sunt potrivite pentru detectarea semnalelor luminoase slabe; rețelele de detectoare multicanal pot fi combinate cu procesarea paralelă a semnalelor pentru a îmbunătăți viteza analizei probelor de mare randament.

• Încapsularea și purificarea probelorÎncapsularea și purificarea probelor: Ermeticitatea flacoanelor de scintilație necesită ca spectrometria de masă cu heliu să detecteze o rată de scurgere mai mică de 1×10-⁹ Pa-m³/s, împiedicând pătrunderea oxigenului și declanșarea degradării oxidative a scintilației. Rășinile schimbătoare de ioni pot fi utilizate pentru curățare, pentru a îndepărta ionii metalici și a reduce rata de numărare a fondului. Azotatul de zinc/ferocianura de potasiu este utilizat pentru a concentra radionuclizii într-o stare peletizată, reducând volumul soluției și crescând eficiența încapsulării.

Tehnologia de numărare cu scintilație lichidă permite detectarea extrem de sensibilă a radionuclizilor de energie scăzută prin convertirea energiei particulelor radioactive într-un semnal luminos. Performanța sa depinde de optimizarea aspectelor tehnice cheie, cum ar fi stabilitatea lichidului de scintilație, sensibilitatea detectorului și încapsularea și purificarea probei. Fiind componentă centrală a încapsulării probei, fluidul de scintilație joacă un rol de neînlocuit în aceste legături, iar designul și selecția materialelor sale au un impact important asupra performanței generale a tehnologiei LSC.

Caracteristici principale și design ale flacoanelor de scintilație

1. Funcții de container

• SigilareFiolele de scintilație trebuie să aibă o etanșare excelentă pentru a preveni scurgerile de gaze radioactive, evitând în același timp pătrunderea contaminanților externi în fiolă.

• CompatibilitateFiolele de scintilație trebuie să fie compatibile cu o gamă largă de fluide de scintilație pentru a se asigura că acestea nu reacționează chimic și nu se deformează fizic în urma contactului prelungit.

2. Selectarea materialelor

• SticlăTransmitanță ridicată pentru maximizarea eficienței transmisiei fotonilor; stabilitate chimică excelentă, rezistență la coroziune, potrivită pentru o gamă largă de fluide de scintilație; număr redus de particule de fond, potrivită pentru detectarea cu sensibilitate ridicată. Cu toate acestea, sticla este fragilă și grea.

• Plastic: ușor și rezistent la impact, ușor de utilizat și de transportat. Cu toate acestea, unele materiale plastice conțin radionuclizi naturali și sunt mai puțin stabile din punct de vedere chimic și vor reacționa cu unele fluide de scintilație.

• Finisarea suprafețelorMateriale precum silica sunt acoperite pe peretele interior al sticlei pentru a îmbunătăți reflexia luminii și eficiența transmisiei și pentru a crește producția de fotoni.

3. Optimizarea formei și structurii

• Designul deschiderii sticleiDeschiderea îngustă reduce fluxul de lichid, reduce interferențele de împrăștiere a luminii și îmbunătățește consistența semnalului.

• Evitarea luminiiO sticlă sau un înveliș de culoare închisă poate inhiba interferențele luminii externe, reduce zgomotul de fundal și îmbunătățește raportul semnal-zgomot.

• Alte modele optimizateFlacoanele de scintilație cu fund conic sau cu design special al pereților interiori reduc reziduurile de probă și îmbunătățesc ratele de recuperare; microflacoanele sunt potrivite pentru testarea microprobelor, ceea ce poate reduce cantitatea de soluție de scintilație și reduce costurile.

Designul și selecția materialelor flacoanelor de scintilație au un impact semnificativ asupra performanței acestora. Sensibilitatea de detectare și precizia numărării scintilației lichide pot fi îmbunătățite semnificativ prin optimizarea etanșării, compatibilității, selecției materialelor, formei și construcției. În viitor, odată cu aplicarea de noi materiale și tehnologii, performanța flacoanelor de scintilație va fi îmbunătățită în continuare pentru a oferi un sprijin mai puternic pentru dezvoltarea tehnologiei LSC.

Rolul critic al fiolelor de scintilație

1. Sensibilitate de detectare îmbunătățită

• Podea cu zgomot redusIntroducere redusă a impurităților radioactive prin selecția materialelor și tehnici de etanșare, utilizarea sticlei borosilicate cu conținut scăzut de potasiu sau a materialelor plastice de înaltă puritate pentru a reduce conținutul de radionuclizi naturali. Tehnicile de etanșare în vid sau de umplere cu gaz inert sunt utilizate pentru a reduce efectul de explozie al oxigenului și umidității asupra fluidului de scintilație.

• Eficiență energetică ridicatăTransmitanța optimizată a peretelui sticlei asigură captarea maximă a luminii de scintilație de către detector.

2. Garantarea fiabilității experimentale

• Stabilitatea probeiEtanșare pe termen lung pentru a preveni volatilizarea sau degradarea, potrivită pentru experimente de lungă durată. Designul de înaltă calitate al etanșării capacului asigură că probele nu prezintă scurgeri sau contaminări în timpul depozitării sau transportului pe termen lung.

• Controlul repetabilitățiiSpecificațiile standardizate ale recipientelor reduc erorile experimentale între loturi, iar utilizarea flacoanelor de scintilație de dimensiuni, formă și material uniforme asigură condiții experimentale consecvente.

3. Scenarii de aplicare extinse

• Detectarea microvolumuluiFlacoanele cu microscintilație permit analiza probelor cu randament ridicat și sunt potrivite pentru detectarea probelor de microvolum, reducând consumul de reactivi și costurile experimentale.

• Compatibilitate în condiții extremeAdoptând sticlă rezistentă la temperaturi ridicate sau material plastic special, este potrivit pentru sterilizarea în autoclavă pentru cercetări în medii speciale sau depozitarea la temperaturi scăzute.

Fiolele de scintilație sporesc sensibilitatea detecției prin zgomot de fond redus și transfer eficient de energie în tehnologia de numărare cu scintilație lichidă și garantează, de asemenea, fiabilitatea experimentală prin stabilitatea probei și controlul reproductibilității. În plus, designul miniaturizat și compatibil cu condiții extreme își extinde scenariile de aplicare, oferind un sprijin puternic pentru cercetarea în domeniile fizicii nucleare, biomedicinei și monitorizării mediului. În viitor, odată cu avansarea științei materialelor și a tehnologiei de fabricație, performanța fiolelor de scintilație va fi îmbunătățită în continuare, punând o bază solidă pentru inovarea și extinderea aplicațiilor numărării LSC.

Exemple practice de aplicații

1. Domeniul biomedical

• Cuantificarea radiotrasorului în radioimunoanalizăRadioimunoanaliza (RIA) este o tehnică de detectare biomoleculară de înaltă sensibilitate, utilizată pe scară largă pentru analiza cantitativă a hormonilor, medicamentelor și markerilor tumorali. Fiolele de scintilație sunt utilizate pentru a conține complexe antigen-anticorp radiomarcate și soluții de scintilație, asigurând detectarea eficientă a radiotrasorilor printr-un design cu transmitanță ridicată și fond redus.

2. Monitorizarea siguranței energiei nucleare

• Detectarea urmelor de radioizotopi în deșeurile nucleareDeșeurile nucleare conțin o gamă largă de radioizotopi care trebuie monitorizați cu precizie pentru a asigura siguranța mediului. Fiolele de scintilație sunt utilizate pentru a încapsula extracte de deșeuri nucleare și fluide de scintilație pentru detectarea radiografică, prevenind scurgerile de materiale radioactive prin materiale rezistente la coroziune și etanșări ermetice.

3. Știința mediului

• Urmărirea radionuclizilor în aerosolii atmosfericiRadionuclizii din aerosolii atmosferici sunt indicatori importanți pentru studiul proceselor atmosferice și al poluării mediului. Fiolele de scintilație sunt utilizate pentru colectarea și detectarea radionuclizilor în probele de aerosoli, îmbunătățind sensibilitatea de detectare a probelor cu activitate scăzută prin designul de evitare a luminii și transferul eficient de energie.

4. Alte domenii de aplicare

• Siguranța alimentarăFiolele de scintilație pot fi utilizate pentru detectarea contaminării radioactive din alimente.

• Datarea geologică: datare prin măsurarea izotopilor radioactivi din roci și minerale.

• Descoperirea medicamentelorFlacoanele de scintilație sunt utilizate pentru studiile cinetice metabolice ale medicamentelor radiomarcate.

Fiolele de scintilație și-au demonstrat rolul de neînlocuit în aplicații practice în domenii precum biomedicina, monitorizarea siguranței nucleare și știința mediului. Datorită sensibilității ridicate, stabilității ridicate și designului diversificat, fiolele de scintilație oferă un suport fiabil pentru detectarea radioactivității și promovează cercetarea și progresul tehnologic în domenii conexe. În viitor, odată cu extinderea continuă a nevoilor de aplicare, fiolele de scintilație își vor continua valoarea unică în tot mai multe domenii.

Provocări și direcții de îmbunătățire

1. Limitări existente

• Sticla fragilă duce la riscuri operaționaleDeși sticlele de scintilație din sticlă sunt foarte translucide și stabile din punct de vedere chimic, fragilitatea lor poate duce la scurgeri de probe sau la întreruperea experimentelor în timpul transportului și utilizării. Acest lucru poate duce la creșterea costurilor experimentale, în special în experimentele cu randament ridicat sau automatizate.

• Plasticul poate avea probleme de îmbătrânireSticlele de scintilație din plastic, în cazul utilizării pe termen lung sau al expunerii la condiții extreme (cum ar fi temperaturi ridicate, acizi puternici și alcali), se pot îmbătrâni, rezultând o scădere a proprietăților fizice sau a compatibilității chimice, ceea ce va reduce fiabilitatea și reproductibilitatea rezultatelor experimentale.

• Problemă cu zgomotul de fundalUnele materiale plastice pot conține impurități radioactive naturale, care cresc numărul de particule de fond și afectează sensibilitatea detecției probelor cu activitate scăzută.

• Probleme de cost și de mediuSticla de înaltă calitate sau materialele plastice speciale sunt costisitoare, iar fiolele de scintilație de unică folosință pot fi o povară pentru mediu.

2. Inovații tehnologice

• Dezvoltarea de noi materiale compoziteCombinând stabilitatea chimică ridicată a ceramicii cu rezistența la impact a materialelor plastice, dezvoltăm noi materiale compozite pe bază de ceramică, rezistente la temperaturi ridicate, coroziune și zgomot de fond redus, ceea ce le face potrivite pentru condiții extreme și detectare cu sensibilitate ridicată. Dezvoltarea materialelor plastice biodegradabile reduce impactul asupra mediului și este potrivită pentru experimente de unică folosință, în conformitate cu conceptul de dezvoltare durabilă.

• Optimizarea tehnologiei de tratare a suprafețelorAplicarea de acoperiri optice la nanoscală pe peretele interior al sticlelor pentru a îmbunătăți eficiența transmisiei fotonilor. Îmbunătățirea sensibilității de detectare, fiind potrivită pentru detectarea micro-eșantioanelor.

3. Optimizarea tehnologiei de tratare a suprafețelor

• Tehnologie de nano-acoperireAcoperiri optice îmbunătățite la scară nanometrică sunt aplicate pe peretele interior al fiolelor de scintilație pentru a îmbunătăți eficiența transmisiei fotonilor. Acest lucru sporește și mai mult sensibilitatea detecției și este potrivit pentru detectarea urmelor de probe.

• Acoperiri anti-incrustareAu fost dezvoltate acoperiri antivegetative pentru a reduce la minimum reziduurile de probe și a îmbunătăți ratele de recuperare pentru probele de mare valoare sau scenariile de reutilizare.

Deși sticlele de scintilație joacă un rol cheie în tehnologia de numărare a scintilației lichide, acestea se confruntă încă cu anumite provocări în ceea ce privește proprietățile materialelor, siguranța în funcționare și protecția mediului. Performanța și domeniul de aplicare al fiolelor de scintilație pot fi îmbunătățite semnificativ prin cercetare în diverse aspecte. În viitor, odată cu avansarea științei materialelor și a tehnologiei de fabricație, fiolele de scintilație vor face progrese mai mari în ceea ce privește sensibilitatea, fiabilitatea și sustenabilitatea, injectând o nouă vitalitate în dezvoltarea tehnologiei de numărare a scintilației lichide.

Concluzii și perspective

Fiolele de scintilație, ca și componentă centrală a tehnologiei de numărare prin scintilație lichidă (LSC), joacă un rol de neînlocuit în detectarea radioactivității prin optimizarea și optimizarea continuă a materialelor, structurilor și proceselor. Inovarea materialelor, optimizarea structurii, îmbunătățirea proceselor și alte optimizări sunt instrumentele de bază pentru ca fiolele de scintilație să devină tehnologia de numărare a lichidelor, utilizată pe scară largă în biomedicină, monitorizarea siguranței energiei nucleare, știința mediului și alte domenii.

Odată cu dezvoltarea rapidă a științei materialelor, nanotehnologiei și tehnologiei de automatizare, fiolele de scintilație vor atinge performanțe superioare, un design mai inteligent și mai ecologic în viitor. Aceste inovații nu numai că vor promova avansul tehnologiei de numărare prin scintilație lichidă, dar vor oferi și instrumente mai puternice și sprijin pentru cercetare în domeniile fizicii nucleare, biomedicinei și științei mediului. În viitor, se așteaptă ca fiolele de scintilație să devină o componentă centrală mai eficientă, fiabilă și sustenabilă a tehnologiei de detectare a radioactivității.