CS217276B1

CS217276B1 - Method of making the optical and/or scintillation elements

Info

Publication number: CS217276B1
Application number: CS200379A
Authority: CS
Inventors: Tibor Vasek; Otakar Richter; Ladislav Fojtik
Original assignee: Tibor Vasek; Otakar Richter; Ladislav Fojtik
Priority date: 1979-03-27
Filing date: 1979-03-27
Publication date: 1982-12-31

Description

Vynález se týká způsobu výroby optických a nebo sointilačních prvků plastickou deformací krystalů, zejména alkalických halogenidů.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a process for the production of optical and / or sointillant elements by plastic deformation of crystals, in particular alkali halides.

Scintilační počítač se stal běžným detektorem pro detekci různých typů radioaktivního záření a na scintilační prvky z anorganických materiálů jsou neustále kladeny stále větší a větší požadavky, zejména co do velikosti a mechanických vlastností.The scintillation counter has become a common detector for the detection of various types of radioactive radiation, and scintillation elements made of inorganic materials are increasingly subject to greater and greater demands, especially in terms of size and mechanical properties.

. Některé průmyslové požadavky vyžadují, aby použitý krystal překračovat 30 cm alespoň v jednom rozměru. Velkoplošné scintilační detektory jsou podle současného stavu techniky vyráběny z výchozího monokrystalu v podobě ingotu získaného pěstováním z taveniny.. Some industrial requirements require that the crystal used exceed 30 cm in at least one dimension. Large-scale scintillation detectors are made according to the state of the art from an initial single crystal in the form of an ingot obtained by melt-growing.

V těchto případech je zapotřebí ingotu o dostatečném průměru, který se pak rozřeže na desky požadované tlouŠtky. Jsou-li požadované rozměry scintilátoru větší, než lze získat z vypěstovaných ingotů, je možno vytvořit složený scintilátor z menších bloků uložených ve vhodném pojidla.In these cases, an ingot of sufficient diameter is required which is then cut into plates of the desired thickness. If the desired scintillator dimensions are larger than can be obtained from the grown ingots, a composite scintillator may be formed from smaller blocks embedded in a suitable binder.

Z americké patentové literatury jsou známy pokusy vyrobit optický prvek z práškového fluoridu vápenatého lisováním za studená, nebo vyrobení scinťilačního prvku lisovaného za tepla z polykrystaliokého agregátu, jako je například jemně rozdělený prášek iontové soli, které však nebyly úspěšné. V současné době je stále ještě obtížné vyrábět optické a nebo scintilační prvky velkých:·rozměrů a i v případě úspěchu mají vyrobené prvky značný stupeň křehkosti.Attempts are known from the US patent literature to make an optical element from calcium fluoride powder by cold pressing, or to produce a hot pressed scintillation element from a polycrystalline aggregate, such as a finely divided ionic salt powder, but which have not been successful. At present, it is still difficult to produce optical or scintillation elements of large size: • Even if successful, the produced elements have a considerable degree of fragility.

Skládané sointilátory mají 'znají,t- sníženou scintilační charakteristiku v důsledku složené struktury. AÍ je věnována sebevětší pozornost leštění plpšek skládaných plátků před jejich slepováním do složeného výsledného produktu, není znám žádný prostředek, který by dovolil odstranění nežádoucích účinků fázového rozhraní. Nevýhodou je i to, že makřokrystalioký scintilační prvek, at už je tvořen monokrystalem, rozříznutým plátkem ingotu nebo polykrystalické tyče tažené pěstováním z taveniny, nebo mozaikou těchto rozříznutých plátků, má tendenci praskat účinkem tepelných nebo mecnanických rázů podle ploch dokonalé štěpnosti.The pleated sointillators have a reduced scintillation characteristic due to the composite structure. While the utmost attention is paid to polishing the plies of pleated sheets prior to sticking them into the composite end product, no means is known which would permit the elimination of adverse effects of the phase interface. Another disadvantage is that the macrocrystalline scintillation element, whether it is a single crystal, a sliced ingot or polycrystalline rod drawn by melt cultivation, or a mosaic of these sliced slices, has a tendency to crack due to thermal or mechanical shocks according to areas of perfect cleavage.

Z francouzské literatury je znám také způsob výroby scintilačních detektorů získaných protlačováním makrokrystalu nalogenidú alkalických kovů protlačovací zápustkou při teplotách vyšších než 300 °C. Nevýhodou tohoto způsobu je možné znečištění otěrem materiálu tvořícím protlačovací nástroje. Postup je kromě toho vhodný spíše pro sointilátory tvaru protáhlých hranolů a tyčí, pro výrobu velkoplošného scintilátoru by bylo třeba aplikovat extrémně vysoká lisovací tlaky.Also known from the French literature is a process for producing scintillation detectors obtained by extruding an alkali metal nanocrystalline macrocrystal through an extrusion die at temperatures above 300 ° C. A disadvantage of this method is the possible contamination by abrasion of the material forming the extrusion tools. In addition, the process is more suitable for elongated prisms and rod-shaped sointilators, and extremely high pressures would be required to produce a large-scale scintillator.

Je znám i způsob výroby optických prvků, vyznačující se tím, že monokrystalický materiál alkalických halogenidů vykultivovaných kelimkovou metodou Czochralskáho a Bridgmana je jednou nebo dvojitě dopován ňbCl a pro docílení vyšší pevnosti je kován za tepla při teplotě kolem 320 °C a tlaku 0,35 až 0,5 MPa. Tento tlak je dostatečný pro tlakem vyvolanou rekrystalizaci.A method for producing optical elements is also known, characterized in that the monocrystalline material of the alkali halides cultivated by the Czochralski and Bridgman crucible method is doped once or twice with bCl and is hot forged at a temperature of about 320 ° C and a pressure of 0.35 to 0.5 MPa. This pressure is sufficient for pressure-induced recrystallization.

Před těmito nákladnými a pracnými způsoby výroby optických a nebo scintilačních prvků, vyžadujících poměrně značně komplikované a početné pracovní postupy, má řadu výhod způsob výroby optickýcn nebo scintilačních prvků podle vynálezu. Podstatou vynálezu je, že výchozí krystalický materiál ve formě tělesa nebo více těles libovolného geometrického tvaru nebo dílků o minimálních rozměrech I mm , průhledných, s nezakaleným povrchem, se lisuje za teploty v rozmezí od 10 °C do 250 °C pod bodem tání krystalického materiálu, buS mezi dvěma, separátorem opatřenými, rovinnými nebo tvarovanými deskami nebo čelistmi, určujícími po dokončení lisování alespoň jeden rozměr konečného výrobku optického nebo scintilačního prvku, a/ nebo v prostoru zápustky nebo formy působěním pístu nebo desky, opatřenými separátorem, určujícím všechny požadovaná rozměry konečného optického a/ nebo scintilačního prvku, 8 použitím tlaku, kterým se dosáhne konečného tvaru optického a/ nebo scintilačního prvku v rozmezí od 3 do 3 600 sekund.In comparison to these costly and laborious methods of manufacturing optical and / or scintillation elements requiring relatively complicated and numerous workflows, the method of manufacturing the optical or scintillation elements of the invention has a number of advantages. It is an object of the present invention that the crystalline starting material in the form of a body or multiple bodies of any geometric shape or pieces having a minimum dimension of 1 mm, transparent, with non-cloudy surface, is pressed at a temperature of 10 ° C to 250 ° C below the melting point of the crystalline material Either between two separator-provided, planar or shaped plates or jaws defining at least one dimension of the final product of the optical or scintillation element after compression, and / or in the die or mold space by a piston or plate provided with a separator determining all desired dimensions of the final of the optical and / or scintillation element, 8 by applying a pressure to achieve the final shape of the optical and / or scintillation element in the range of 3 to 3600 seconds.

Způsob výroby optických a/ nebo scintilačních prvků podle vynálezu má proti řadě známýoh způsobů výroby těchto prvků velkou výhodu v tom, že u velkoplošných krystalů se vyžaduje pro řadu aplikaci rozměrová citlivost po ploše, tak zvaná radiální citlivost.The process for producing optical and / or scintillation elements according to the invention has a great advantage over a number of known processes for the production of these elements in that large surface crystals require a dimensional surface area sensitivity, so-called radial sensitivity, for many applications.

Tato vlastnost se u běžně vyráběných krystalů dociluje jen velmi obtížně vlivem fyzikálníoh procesů při výrobě zpravidla nastává nerovnoměrná rozdělení nečistot. Uvedené požadavky podstatně lépe splňují scintilační prvky vyrobené podle předmětu vynálezu, kde během lisování dochází k homogenizaci scintilačního materiálu a tím se docílí mnohem lepší homogenita plošné citlivosti.This characteristic is very difficult to achieve in commonly produced crystals due to physical processes during production, as a rule, uneven distribution of impurities occurs. Scintillation elements produced in accordance with the present invention, wherein the scintillation material is homogenized during the molding process, substantially meet the above requirements, thereby achieving a much better uniformity of surface sensitivity.

Preferované tvary scintilačních prvků jsou desky, tyče a podobně, u optických krystalů pak často tvary komplikovaných průřezů, polokoule, střechany, domy, jednoduché a sférické, to je nekulové čočky a podobně.Preferred shapes of scintillation elements are plates, rods and the like, and in the case of optical crystals, often shapes of complicated cross-sections, hemispheres, roofs, houses, simple and spherical, i.e. non-spherical lenses and the like.

Vzhledem k tomu, že uvažovaný materiál, jako například chlorid sodný, jodid sodný, případně dotovaný thaliem, at pro výrobu optických, tak i scintilačních prvků při teplotách od 10 °C do 250 ®C pod bodem tání použitého krystalického materiálu, vykazuje nízkou plasticitu, je nutno docílit souhru tlaku a času. V případě uplatňování nižších tlaků se vyžaduje delší doba lisování, řádově několik minut až hodin. V případě použití vysokého tlaku se lisovací doba zkracuje, je ovšem zapotřebí mít k dispozici vhodné zařízení pro docilování vysokých tlaků. Volba optimálního tlaku a času je proto kompromisem mezi únosnou dobou lisování a zařízením schopným vyvinout velmi vysoké tlaky. Volba vhodného tlaku a lisovací doby rovněž závisí na tvaru použité zápustky nebo formy a tvaru výlisku a musí být stanovena pro každý konkrétní případ.Since the material under consideration, such as sodium chloride, sodium iodide, optionally thallium doped, whether for the production of optical or scintillation elements at temperatures from 10 ° C to 250 ° C below the melting point of the crystalline material used, shows low plasticity, the interplay of pressure and time must be achieved. If lower pressures are applied, a longer pressing time of several minutes to hours is required. If high pressure is used, the pressing time is reduced, but it is necessary to have a suitable device for achieving high pressures. The choice of optimum pressure and time is therefore a compromise between a bearing time of pressing and a device capable of generating very high pressures. The choice of suitable pressure and pressing time also depends on the shape of the die or mold used and the shape of the molding and must be determined in each particular case.

čištění povrchu krystalického materiálu se provádí například propláchnutím nebo krátkodobým ponořením do acetonu, případně do benzenu. Tím se docílí potřebný průhledný a nezkalený povrch výchozího krystalického materiálu. Tuto úpravu je nejlépe provádět v suchém boxu a až v době lisování odebíx‘at z boxu tak, aby krystalický materiál nepřicházel do styku s okolní vlhkou atmosférou.cleaning of the surface of the crystalline material is carried out, for example, by rinsing or brief immersion in acetone or benzene. This achieves the necessary transparent and non-turbid surface of the crystalline starting material. This treatment is best done in a dry box and only removed from the box at the time of pressing so that the crystalline material does not come into contact with the surrounding humid atmosphere.

Vzhledem k tomu, že během lisování dochází k přilepování výlisků k rovinným nebe tvarovaným deskám nebo čelistím, případně k čelu zápustky nebo formy, pístu nebo desky, je třeba používat vhodného separátoru pro snadnější oddělování výrobku po vylisování. Jako separátoru lze použít například slídové folie, tenké molybdenové felie pokryté grafitem, nebo jiný tenký materiál odolávající pracovním teplotám, který nekoroduje.Since the moldings are glued to flat or molded plates or jaws or the face of a die or mold, piston or plate during molding, a suitable separator should be used to facilitate separation of the product after molding. As separator, for example, mica foils, thin molybdenum foils coated with graphite, or other thin material resistant to working temperatures, which does not corrode.

Způsob výroby optických a/ nebo scintilačních prvků plastickou deformací krystalů lze uplatnit i na celistvý krystalický materiál, například na těleso nebo více těles libovolného geometrického tvaru, tak zvaný ingot a/nebo kombinovanou hmotu vícero ingotů ze scintilačního materiálu, například jodidu sodného dopovaného thaliem, podrobeny tlaku, například mezi dvěma rovinnými nebo tvarovanými deskami nebo čelistmi pro docílení požadovaného tvaru o velkém průměru a malé výšce,·v průběhu několika desítek sekund až řádově desítek minut. Způseb podle vynálezu může být uplatňován s výhodou i pro ingot a/ nebo kombinovanou hmotu vícero ingotů ze scintilačního materiálu bezprostředně po vytavení z kelímku, to je ohřátých na teplotu kolem 600 °C.The method for producing optical and / or scintillation elements by plastic crystal deformation can also be applied to a solid crystalline material, for example a body or more bodies of any geometric shape, the so-called ingot and / or the combined mass of several ingots of scintillation material such as sodium iodide doped with thallium. pressure, for example between two planar or shaped plates or jaws to achieve the desired shape of large diameter and low height, within a few tens of seconds to the order of tens of minutes. The process according to the invention can also be applied advantageously to the ingot and / or the combined mass of several ingots of scintillation material immediately after being melted from the crucible, i.e. heated to a temperature of about 600 ° C.

Způsob výroby Optických a/ nebo scintilačních prvků plastickou deformácí krystalů byl prakticky odzkoušen na řadě případů, z nichž pro názoriAt uvádíme dva příklady.The process for the production of optical and / or scintillation elements by plastic crystal deformation has been practically tested in a number of cases, two examples of which are shown.

V prvém případě byly výchozím materiálem pro lisování kousky čerstvě neštípaného oIn the first case, the starting material for the compression was pieces of freshly uncut

monokrystalu.jodidu sodného dopovaného thaliem. Kousky byly velikosti asi 1 cm , výchozí množství odpovídalo požadovanému objemu. Cílem bylo vylisování vzorku e průměru 30 mm a výšce 10 mm. Ocelová zápustka byla vyhřátá na teplotu 640 °Ó. Lisovací síla hydraulického lisu přibližně 1 000 N působila na výlisek ve vyhřáté zápustce po dobu asi 120 sekund. Jako seprátoru bylo použito slídového kotouče. Získaný výlisek byl po vylisování temperován za účelem odstranění vnitřního pnutí a po opracování zapouzdřen. Byly změřeny základní parametry srovnatelné s monokrystalickým vzorkem stejného rozmaru plasticky nedeformovaným. Zjištěné parametry luminiscenční účinnosti získaného výlisku byly asi o 10 % nižší než u standardního monokrystalického materiálu.Sodium iodide single crystal doped with thallium. The pieces were about 1 cm in size, the starting amount corresponding to the desired volume. The aim was to press a sample with a diameter of 30 mm and a height of 10 mm. The steel die was heated to 640 ° C. The pressing force of the hydraulic press of approximately 1000 N was applied to the molded part in the heated die for about 120 seconds. A mica disc was used as a separator. The molding obtained was tempered after compression to remove internal stresses and encapsulated after machining. Basic parameters comparable to a monocrystalline sample of the same capricious plastic deformation were measured. The luminescence efficiency parameters of the obtained compact were found to be about 10% lower than that of a standard monocrystalline material.

Ve druhém případě byl vyroben scintilační detektor o průměru přibližně 6 cm a výšce 1 cm lisováním ingotu uchyceného mezi dvě ploché čelisti v ručním lise. Ingot sointiláčního materiálu jodidu sodného dopovaného thaliem byl 1 s čelistmi Ohřát v pícce na teplotu přibližně 600 °C a po vyjmutí z pícky byl rozlisován pomocí ručního lisu na desku. Po vyjmutí sointiláčního detektoru z čelistí byl výlisek temperován a po úpravě změřen. Dosažené parametry relativní luminiscenční účinnosti a rozlišovací schopnosti byly jen o 10 až 20 % horší než u standardního monokrystalu, což je obvykle dostatečné pro běžné druhy aplikací.In the second case, a scintillation detector with a diameter of approximately 6 cm and a height of 1 cm was produced by pressing an ingot fixed between two flat jaws in a hand press. The thionium doped sodium iodide soot material was 1 with jaws heated in an oven to about 600 ° C and, after being removed from the oven, was pressed into a plate using a hand press. After removal of the so-called detector from the jaws, the compact was tempered and measured after adjustment. The parameters of relative luminescence efficiency and resolution were only 10 to 20% worse than that of a standard single crystal, which is usually sufficient for conventional applications.

Claims

Process for the production of optical and / or sointillation elements by plastic deformation of crystals, in particular alkaline nalogenides, for example sodium chloride or sodium iodide, optionally thallium-doped, characterized in that the starting crystalline material in the form of a body or more bodies mm? transparent, non-turbid surface, is pressed at a temperature in the range of 10 ° C to 250 ° C below the melting point of the crystalline material, a cell between two eeparator-provided, planar or non-shaped plates or jaws defining at least one dimension of the final optical product and / or the sensitizing element, and / or in the die or mold space by the action of a piston or plate provided with a separator determining all the desired dimensions of the final optical and / or sointillation element using pressure to achieve the final shape of the optical and / or sointillation element ranging from 3 to 3600 seconds.