Plastic Scintillation microspheres for radioactivity determination: synthesis, characterization and production

Abstract

Plastic scintillation microspheres (PSm) are a solid dispersion of one or more fluorescent solutes encapsulated within a polymeric matrix. PSm appear as an alternative to the use of liquid scintillation cocktails for radioactivity determination with the advantage of avoiding the mixed waste, for the measurement of salty samples, for performing measurements in continuous, or for employing them as a medium to join the measurement and separation steps. However, PSm are not completely available in the market, since only a few providers supply them at a high cost and with a limited range of sizes and compositions.

This thesis has been focused in two main objectives. The first one has been the evaluation of the feasibility of different methodologies to produce PSm, starting at laboratory scale and addressing their production at a higher scale. The second one has been to increase the knowledge about the energy transfer mechanism through the evaluation of different quenching agents and different organic scintillators.

The production of PSm was successfully performed through organic solvent extraction/evaporation methodology (E/E). Other techniques based on drying, the Spray Drying (SD) and the supercritical antisolvent (SAS) were also evaluated. The E/E allowed the production of PSm at laboratory and at large scale with features and radiometric performances comparable to those of the commercial ones, and also producing PSm with the ability for alpha/beta discrimination. On the other hand, SD and SAS proved to produce PSm and polystyrene based submicron particles, respectively, which enabled the measurement of radioactivity but involving a high associated operational cost and a low production yield.

Finally, the evaluation of the energy transfer mechanism was performed by conducting a systematic study of the interference of several quenching agents when different organic scintillators were employed. Moreover, the wide range of PSm diameters obtained allowed the study of the relationship between the size and the radiometric capacities, resulting in a better understanding of the energy transfer mechanism through the evaluation of the particle and optical quenching.

Las microesferas de centelleador plastico (PSm) son una dispersión sólida de uno o más solutos fluorescentes disueltos y encapsulados en una matriz polimérica. Su diámetro puede variar desde los pocos hasta varios centenares de micrómetros. Las PSm han aparecido como una alternativa al uso de los cócteles de centelleador líquido para la mayoría de las deteminaciones de radionucleidos de media y alta energía, con la ventaja de que al estar polimerizadas se evita la producción del residuo mixto (mezcla de residuos orgánicos y radioactivos). Por otro lado, las PSm son de utilidad en las medidas de muestras salinas, de sistemas de medida en continuo y además sirven de soporte para la inmovilización de extractantes selectivos a determinados radionucleidos. Sin embargo, las PSm no están completamente disponibles en el mercado, ya que existen sólo un par de casas comerciales capaces de proveerlas a un alto coste y con un rango limitado de diámetros y composiciones.

El presente trabajo ha sido enfocado en dos objetivos principales. El primero, ha sido evaluar diferentes metodologías que permitan la producción de PSm de diferentes diámetros y composiciones a escala de laboratorio para superar la dependencia sobre los proveedores comerciales y a su vez, ampliar su uso en nuevas aplicaciones. El segundo objetivo, ha sido explorar el mecanismo de transferencia de energía en las medidas de radionucleidos cuando se emplean las PSm.

La síntesis de PSm se llevó a cabo por medio de diferentes técnicas. La primera, basada en la evaporación/extracción del disolvente orgánico. Dicha técnica permitió la producción de PSm con un alto rendimiento y con características físicas y capacidades radiométricas similares a las de las microesferas de centelleador plástico de origen comercial. También permitió la evaluación de la encapsulación de los solutos fluorescentes, la producción de microesferas con capacidad para discriminar partículas alfa y beta, la evaluación de los parámetros de síntesis para optimizar la producción y además se empleó para producir PSm a una mayor escala que la empleada en el laboratorio (prueba de concepto con equipos industriales).

Por otro lado, la producción de PSm mediante las técnicas basadas en el secado del disolvente orgánico (Spray Drying y antidisolvente supercrítico). Dichas técnicas permitieron la producción de PSm y de partículas poliméricas centelleadoras de tamaño submicrométrico, respectivamente, capaces de medir la radioactividad. Sin embargo, resultaron en un alto coste operacional asociado y bajos rendimientos de producción.

Finalmente, la evaluación del mecanismo de transferencia de energía se llevó a cabo mediante el estudio sistemático de diferentes interferentes (NaCl, BaCl2, glicerina, nitrometano y naranja de metilo) y distintos centelleadores orgánicos (PSm de diferentes diámetros, cóctel de centelleador líquido y cóctel de centelleador gel) para la medida de dos emisores beta de baja y alta energía, 3H y 36Cl, respectivamente. Adicionalmente, teniendo en cuenta el amplio rango de diámetros de PSm obtenidos mediante las diferentes metodologías, fue posible realizar algunas observaciones sobre la relación de las capacidades radiométricas de diferentes radionucleidos respecto al tamaño de diámetro de las PSm, basadas principalmente en los fenómenos de quenching de partícula y de quenching óptico.