[論文レビュー] A Study of the Fluorescence Response of Tetraphenyl-butadiene

R. Jerry, L. A. Winslow+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2010

Photochemistry and Electron Transfer Studies参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、液体アルゴン検出器における波長シフト材としてのテトラフェニルブタジエン（TPB）の光安定性および発光応答を調査し、光照射による劣化に注目する。その結果、シンチレーショングレードのTPBは長時間の照光下でも安定であるのに対し、99%純度のTPBは急速にイエローリングを示し、発光放射が完全に消失することが判明した。これは、実験に使用する前にバッチテストを行う重要性を示している。

ABSTRACT

Tetraphenyl-butadiene (TPB) is a widely used fluorescent wavelength-shifter. A common application is in liquid-argon-based particle detectors, where scintillation light is produced in the UV at 128 nm. In liquid argon experiments, TPB is often employed to shift the scintillation light to the visible range in order to allow detection via standard photomultiplier tubes. This paper presents studies on the stability of TPB with time under exposure to light. We also examine batch-to-batch variations. We compare scintillation-grade TPB to 99% pure TPB response. In the 99% pure samples, we report a yellowing effect, and full degradation of the TPB emission-peak, upon extended exposure to light.

研究の動機と目的

• 液体アルゴン検出器の波長シフト材として用いられるテトラフェニルブタジエン（TPB）の長期的光安定性を評価すること。
• 異なるTPB純度グレード間での発光応答のバッチ間ばらつきを調査すること。
• 光照射がTPBの発光効率に不可逆的劣化を引き起こすかどうかを同定すること。
• 同一条件下でシンチレーショングレードのTPB（99%以上純度）と低純度（99%）のTPBの性能を比較すること。
• 検出器組立に使用する前に劣化したTPBバッチを特定する実用的手順を確立すること。

提案手法

• テスト用に、0.25 gのTPBを100 mLのトロレンに溶解した試料を準備し、シンチレーショングレードおよび99%純度のTPBを用いた。
• 発光スペクトルは、384 nmの光源を用いて励起するStellarNet Black Comet分光計（190–850 nm範囲）を用いて測定した。
• トロレンの発光ピーク（550 nm）を、絶対光強度測定の正規化およびアライメントずれの補正のための安定基準とした。
• 長期間の光照射を模擬するため、試料を最大3か月間SOLUX太陽スペクトルランプに照射した。
• シンチレーショングレードのTPBを3か月間暗所に保管したコントロール試料を用いて、内在的安定性を評価した。
• 3日間の照射後を比較するため、99%純度のTPB-トルエン混合液の半分を光に、残りを暗所にそれぞれ照射した黄変試験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体アルゴン検出器に用いられるシンチレーショングレードのTPBが長時間にわたり光にさらされることで、発光応答が劣化するか？
• RQ2 新鮮に混合した溶液において、99%純度のTPBの発光出力はシンチレーショングレードのTPBと比べてどの程度か？
• RQ3 光照射が99%純度のTPBの光学的安定性に与える影響は何か？ そして、不可逆的変化を引き起こすか？
• RQ4 バッチ間の発光応答のばらつきは、純度の違いや不純物によるものと特定できるか？
• RQ5 99%純度のTPBに観察されるイエローリングは光化学的劣化によるものであり、実験に使用する前には検出可能か？

主な発見

• SOLUXランプに3か月間照射されたシンチレーショングレードのTPBは、測定誤差±5%の範囲内でピーク強度に顕著な劣化を示さず、安定している。
• 99%純度のTPB-トルエン混合液は、光照射3日後には発光ピークが著しく低下し、最終的にはほとんど検出不能にまで低下しており、発光放射の完全消失を示している。
• 99%純度のTPB混合液は、光照射3日目には目に見えるイエローリングを示し、これは発光放射の喪失と相関している。
• 異なる供給元（Sigma-AldrichおよびACROS）からのシンチレーショングレードのTPBのバッチ間ばらつきは、±5%の系統的不確実性の範囲内で顕著な差が認められなかった。
• 99%純度のTPBにおけるイエローリング効果は不可逆的であり、複数の独立した調達元からのバッチで再現可能であり、光化学的不純物に起因する劣化プロセスであると示唆されている。
• 1週間の光照射による小規模な事前テストは、イエローリングおよび発光喪失の傾向が見られるバッチを効果的に特定できる。