DE19829282A1 - Optische Vorrichtung mit einem Epoxidharz, dessen Transmission stabilisiert ist, Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und Anwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, die ein Epoxidharz aufweist, das energiereicher elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist. Das Epoxidharz enthält einen Radikalfänger, der die Transmission des Epoxidharzes dadurch stabilisiert, daß photoinduziert gebildete Radikale des Epoxidharzes abgefangen werden. Verbindungen, die die Transmission des Epoxidkörpers nachhaltig verändern, entstehen mit einer deutlich geringeren Quantenausbeute. Die Vorrichtung wird beispielsweise zur Detektion von Röntgenstrahlung in einem Computertomographen eingesetzt.

Description

Optische Vorrichtung mit einem Epoxidharz, dessen Transmission stabilisiert ist, Verfahren zur Herstellung der Vorrich­ tung und Anwendung.

Zweikomponenten-Epoxidharze, die aus einer Harzkomponente (z. B. Bisphenol und Epichlorhydrin) und einer Härterkomponen­ te (z. B. Polyamine) bestehen, zeigen eine geringe Stabilität gegenüber energiereicher elektromagnetischer Strahlung (z. B. UV-, Röntgen- oder γ- Strahlung). Dies macht sich dadurch be­ merkbar, daß sich das Epoxidharz, das energiereicher Strah­ lung ausgesetzt ist, gelb bis braun verfärbt. Das Transmissi­ onsverhalten des Harzes ändert sich.

Die Änderung des Transmissionsverhaltens wirkt sich dann ne­ gativ aus, wenn ein Wellenlängenbereich von der Verfärbung betroffen ist, in dem eine optische Untersuchung stattfindet, und wenn für die Untersuchung eine weitgehend konstante Transmission des Epoxidharzes nötig ist.

Werden beispielsweise Verklebungen aus Epoxidharzen in opti­ schen Komponenten verwendet, die einer energiereichen Strah­ lung ausgesetzt sind, verringert sich die Transparenz der op­ tischen Komponente mit zunehmender Bestrahlungsdauer. Im Epoxidharz können auch Pigmente wie beispielsweise Titandi­ oxid enthalten sein. Solche Harze werden in optischen Kompo­ nenten als Reflektoren eingesetzt. Bei Strahlenbelastung ver­ färbt sich die Reflektorschicht und das Reflexionsvermögen nimmt ab. Die Veränderung von optisch transparenten Verkle­ bungen bzw. optisch reflektierenden Schichten beeinträchtigt die Funktionalität der Bauteile. Ein vorzeitiger Ausfall des Bauteils ist die mögliche Folge.

Dieses Problem kann bisher oft nur mit dem Austausch des schadhaften Bauteils umgangen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung mit einem Epoxidharz anzugeben, das einer energiereichen elektro­ magnetischen Strahlung ausgesetzt ist und dessen Transmission in einem Wellenlängenbereich weitgehend konstant ist.

Diese Aufgabe wird von den Merkmalen des Anspruchs 1 der Er­ findung gelöst. Besondere Ausgestaltungen sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Nach Anspruch 1 wird eine optische Vorrichtung angegeben, die ein Epoxidharz mit einer Transmission in einem elektromagne­ tischen Wellenlängenbereich aufweist, wobei das Epoxidharz einer bestimmten energiereichen elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz mindestens einen Stoff enthält, der die Transmis­ sion stabilisiert.

Stabilisieren bedeutet in diesem Zusammenhang, daß sich bei Bestrahlung des Epoxidharzes mit energiereicher elektromagne­ tischer Strahlung wie UV-, Röntgen- oder γ-Strahlung die Transmission des Harzes in dem Spektralbereich, in dem eine Untersuchung mit Hilfe der Vorrichtung stattfindet, nicht än­ dert, bzw. die Änderungen während der Betriebsdauer deutlich verlangsamt werden. Es muß praktisch die Quantenausbeute für die Bildung von Verbindungen gesenkt werden, die die Untersu­ chung stören könnten.

Es wird angenommen, daß Bindungen der Harzkomponente photoin­ duziert homolytisch gespaltet werden. Dabei entstehen als Zwischenverbindungen kurzlebige, hoch reaktive Radikale. Aus­ gehend von diesen Radikalen gibt eine Vielzahl möglicher Fol­ gereaktionen. Die Radikale können sich beispielsweise im wei­ teren Verlauf umlagern. Denkbar sind auch radikalische Addi­ tionsreaktionen. Auf diese Weise entstehen neue Verbindungen, die ein anderes Transmissionsverhalten zeigen können, als das Epoxidharz selbst.

Beispielsweise können sich als Folgeprodukte der photoinu­ zierten homolytischen Spaltung Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindungen bilden, die beispielsweise in Konjugation mit einem aromatischen π-System (z. B. Bisphenol) stehen. Dadurch entstehen Verbindungen, die beispielsweise im blauen Bereich des sichtbaren Lichts absorbieren und somit eine Gelbverfär­ bung des Epoxidharzes hervorrufen.

Aus diesen Gründen ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung der Stoff ein Radikalfänger. Durch Radikalkombina­ tion gelingt es, intermediär auftretende Radikale der Harz­ komponente abzufangen.

An den Stoff, der als Radikalfänger fungiert, sind dabei be­ stimmte Anforderungen gestellt:

• - Der Stoff muß ein effizienter Radikalfänger sein, um die Konzentration des Stoffs im Epoxidharz möglichst gering halten zu können. Dadurch werden wichtige Eigenschaften des Harzes wie beispielsweise die Festigkeit kaum beeinflußt.
• - Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Radikalfänger homo­ gen im Epoxidharz verteilt ist. Dadurch wird erreicht, daß die Stabilisierung der Transmission überall im Epoxidharz gleich ist.
• - Insbesondere ist wichtig, daß sich durch die Radikalkombi­ nation des Radikalfängers mit intermediär entstehenden Ra­ dikalen der Harzkomponente und/oder daran anschließende Folgereaktionen nur Stoffe bilden, die im Spektralbereich der Untersuchung optisch transparent sind.
• - Schließlich muß der Radikalfänger im untersuchten Spektral­ bereich selbst optisch transparent sein.

Im Hinblick auf die genannten Forderungen an den Radikalfän­ ger ist besonders ein Stoff geeignet, der eine ungesättigte organische Verbindung ist. Vor allem kleine aromatische Sy­ steme kommen in Frage, die zudem über Heteroatom- Substituenten verfügen.

Wichtig in bezug auf die optische Transparenz des Radikalfän­ gers ist die spektrale Empfindlichkeit des Detektorsystems auf der einen Seite und die Absorptionscharakteristik des Ra­ dikalfängers auf der anderen. Als Detektoren werden bei­ spielsweise Photomultiplier oder Photodioden eingesetzt. Je nach Detektormaterial und/oder dem Einsatz von Filterelemen­ ten sind die Detektoren spektral unterschiedlich empfindlich. In erster Linie werden aber nicht zuletzt aus Kostengründen Detektoren eingesetzt, die im mittel- bis langwelligen Be­ reich des sichtbaren Lichts empfindlich sind. Das π-System der ungesättigten organischen, vornehmlich aromatischen Ver­ bindung muß deshalb möglichst klein sein, damit es möglichst kurzwellig absorbiert. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit ge­ ring, daß durch die Eigenabsorption des Stoffs eine optische Untersuchung im längerwelligeren Bereich beeinträchtigt wird. Außerdem entstehen in den Folgereaktionen beispielsweise durch Radikalkombination ebenfalls kleinere Moleküle, die die Untersuchung kaum oder gar nicht beeinflussen.

Je kleiner ein π-System ist, desto weniger ist es in der La­ ge, radikalische Zwischenstufen zu stabilisieren und somit als guter Radikalfänger zu fungieren. Die Effizienz, mit der ein Molekül Radikale abfängt, läßt sich allerdings durch He­ teroatomsubstituenten erhöhen. Dies gelingt insbesondere da­ durch, daß der Radikalfänger mindestens ein Atom enthält, das aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom, Iod, Phosphor, und/oder Schwefel ausgewählt ist. Diese He­ teroatome sind vornehmlich mit einem freien Elektronenpaar am π-System der aromatischen Verbindung involviert. Mit Hilfe von Heteroatomsubstituenten sind auch kleine aromatische Ver­ bindungen in der Lage, radikalische Zwischenstufen effizient zu stabilisieren und so deren Reaktivität gezielt zu beein­ flussen.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung enthält das Epoxidharz der Vorrichtung ein Methoxyphenol. Es fungiert als effizienter Radikalfänger und erfüllt alle oben genannten An­ forderungen.

Ein Epoxidharz, das einen geeigneten Radikalfänger enthält, kann insbesondere für zur Verwendung in einer optischen Vor­ richtung eingesetzt werden, in der es einer energiereichen elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist. Insbesondere eignet sich ein erfindungsgemäßes Epoxidharz für transparente Verklebungen und/oder für Reflexionsbeschichtungen in Rönt­ gengeräten.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt nach gängigen Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Epoxidharzen. Dabei wird eine Harzkomponente (z. B. Bisphenol und Epichlorhydrinaddukte) und eine Härterkomponente (z. B. Polyamine, Anhydride) möglichst homogen vermischt. Die Ge­ schwindigkeit des Aushärteprozesses wird beispielsweise durch die Konzentration der Komponenten und/oder die Reaktionstem­ peratur gesteuert.

Insbesondere vor dem Mischen der Komponenten wird in der Harz- und/oder Härterkomponente ein Stoff homogen verteilt, der die Transmission des herzustellenden Epoxidharzes stabi­ lisiert. Dieser Stoff ist bevorzugt ein Radikalfänger.

Bezüglich der Herstellung werden an den Radikalfänger folgen­ de Forderungen gestellt:

• - Der Radikalfänger sollte nach Möglichkeit nicht mit der Komponente reagieren, in der er homogen verteilt wird.
• - Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Radikalfänger in der Harz- und/oder Härterkomponente gut löslich ist. Durch ähn­ liche Dipolmomente des Radikalfängers und der entsprechen­ den Komponente resultiert beispielsweise eine gute Löslich­ keit des Radikalfängers in der Komponente. Dies ist vor al­ lem im Hinblick auf eine homogene Verteilung des Radikal­ fängers im herzustellenden Epoxidharz wichtig.
• - Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn sich der Radikalfänger so in das Zweikomponenten-Epoxidharz des Epoxidharzes einfügt, daß die Aushärtegeschwindikeit des Epoxidharzes nahezu unbeeinflußt bleibt.

Durch diese Forderungen bleiben die Eigenschaften des Epoxid­ harzes und die Verarbeitung der Komponenten praktisch unbe­ einflußt. Ein eingeführter Herstellungsprozeß eines Bauteils aus Epoxidharz kann unverändert beibehalten werden.

Eine gut Löslichkeit des Radikalfängers in der Harz- bzw. Härterkomponente ist übrigens besonders wichtig. Dadurch kann die Konzentration des Radikalfängers gezielt auf die Intensi­ tät der energiereichen Strahlung eingestellt werden, der die Vorrichtung im Betrieb ausgesetzt ist. Die Löslichkeit des Radikalfängers in einer Komponente sollte sich beispielsweise im Bereich von 0,1-10% bewegen.

Anhand eines einfachen Beispiels wird im folgenden eine er­ findungsgemäße Vorrichtung vorgestellt. Die Fig. 1 stellt keine maßstabsgetreue Abbildung der bezeichneten Gegenstände dar.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt die Transmissionsspektren verschiedener Epoxid­ harze.

Fig. 3 zeigt die Reflexionsspektren von Reflektorschichten, die verschiedene Epoxidharze enthalten.

Einem Epoxidharz (Araldit 2020, XW 396/XW 397, Fa. Ciba) wird zur Stabilisierung der Transmission des Epoxidharzes 4- Methoxyphenol beigemischt. Dieser Stoff fungiert als Radikal­ fänger und erfüllt alle oben genannte Forderungen.

In Fig. 2 ist die Wirkung von 4-Methoxyphenol dargestellt. Abgebildet ist dabei die Transmission des reinen Epoxidharzes 21 und die Transmission des Epoxidharzes 22, das eine Stunde mit einer Röntgenröhre bestrahlt wurde (20 kV, 40 mA). Deut­ lich sieht man die Änderung der Transmission, die durch die Röntgenstrahlung verursacht wird. Im gesamten dargestellten Spektralbereich nimmt die Transmission durch die Bestrahlung ab.

Unter der gleichen Strahlungsbelastung wie das Epoxidharz 22 verringert sich dagegen die Transmission des Epoxidharzes 23 deutlich langsamer. Das Epoxidharz 23 enthält 0,5% 4- Methoxyphenol.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wird beispielsweise in einem Detektor für Röntgenstrahlung in einem Computertomogra­ phen eingesetzt. Die Vorrichtung besteht z. B. aus einem kera­ mischen Szintillator 11, einer Reflexionsschicht 12 und einer Detektoreinheit 13 (Fig. 1). Die Detektoreinheit kann bei­ spielsweise als Detektorarray bestehend aus Photodioden oder Photomultiplier aufgebaut sein. Die Röntgenstrahlung 14 trifft durch die Reflexionsschicht 12 auf den Szintillator 11 und wird dort in niedrig energetische elektromagnetische Strah­ lung 15 gelangt auf die Detektoreinheit 13. Die Reflexions­ schicht 12 verhindert Verluste der Strahlung 15.

Die Reflexionsschicht 12 besteht beispielsweise aus einem Epoxidharz 31-33, das 50% Titandioxid als reflektierendes Material enthält.

Die Vorrichtung ist so konzipiert, daß die gesamte Röntgen­ strahlung durch den Szintillator in niedrigenergetische elek­ tromagnetische Strahlung umgewandelt wird. Die niedrigenerge­ tische Strahlung kann dabei UV-Strahlung aufweisen, die das Epoxidharz der Reflexionsschicht schädigt. Außerdem kann nicht ganz ausgeschlossen werden, daß durch Spalte oder Ähn­ lichem direkt Röntgenstrahlung auf das Epoxidharz gelangt.

In Fig. 3 ist das Reflexionsvermögen einer Schicht mit dem Epoxidharz 31 vor einer Belichtung gezeigt. Die Reflexions­ schicht mit einem Epoxidharz 32, das keinen Radikalfänger enthält, wird gemäß der Vorrichtung 1 der Strahlung einer Röntgenröhre ausgesetzt (16 h, 20 kV, 40 mA). Durch die Be­ strahlung verringert sich das Reflexionsvermögen der Schicht deutlich. Dies liegt daran, daß sich die Transmission der Epoxidphase verringert, die die reflektierenden Partikel ent­ hält.

Dagegen enthält das Epoxidharz 33 1% 4-Methoxyphenol. Unter der gleichen Strahlenbelastung wie die Reflexionsschicht 32 ist der Verlust des Reflexionsvermögens deutlich schwächer ausgeprägt.

Claims (12)

1. Optische Vorrichtung, die ein Epoxidharz mit einer Trans­ mission in einem elektromagnetischen Wellenlängenbereich aufweist, wobei das Epoxidharz einer bestimmten energie­ reichen elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz mindestens einen Stoff enthält, der die Transmission stabilisiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff ein Radikalfänger ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stoff im Epoxidharz homogen verteilt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff eine ungesättigte orga­ nische Verbindung ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mindestens ein Atom ent­ hält, das aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom, Iod, Phosphor, und/oder Schwefel ausgewählt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff ein Methoxyphenol ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff 4-Methoxyphenol ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz einen ein Licht reflektierenden Stoff enthält.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz Titandioxid ent­ hält.

10. Epoxidharz mit einer Transmission zur Verwendung in einer optischen Vorrichtung, bei der das Epoxidharz einer be­ stimmten energiereichen elektromagnetischen Strahlung aus­ gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz mindestens einen Stoff enthält, der die Trans­ mission stabilisiert.

11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Detektion von Röntgenstrahlung.

12. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Reaktion einer Harzkomponente mit einer Härterkompo­ nente zu einem Epoxidharz mindestens ein Stoff, der die Transmission des Epoxidharzes stabilisiert, in der Harz- und/oder Härterkomponente homogen verteilt wird.