ES2270525T3

ES2270525T3 - Sustancia centelleante y elemento de guia de ondas centelleante.

Info

Publication number: ES2270525T3
Application number: ES98932662T
Authority: ES
Inventors: Alexandr Iosifovich Zagumenny; Jury Dmitrievich Zavartsev; Pavel Alexeevich Studenikin
Original assignee: Southbourne Investments Ltd
Current assignee: Southbourne Investments Ltd
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2007-04-01
Anticipated expiration: 2018-05-27
Also published as: JP2001524163A; CN1167956C; ATE341768T1; US6278832B1; JP3668755B2; CN1250526A; DE69836085T2; RU2157552C2; WO1999035512A1; EP1004899A1; CA2283320A1; CA2283320C; DE69836085D1; JP2003253255A; EP1004899A4; UA61101C2; EP1004899B1

Abstract

Material centelleante basado en un cristal de silicato que incluye lutecio (Lu) y cerio (Ce), caracterizado porque la composición del cristal está representada por la fórmula química Lu1_ yMeyA1_xCexSiO5, en la que A es Lu y al menos un elemento seleccionado del grupo compuesto por Gd, Se, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm e Yb, Me es al menos un elemento seleccionado del grupo compuesto por Ti, Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo y W, x es un valor entre 1x10-4f.u. y 0, 2f.u. y es un valor entre 1x10-5f.u. y 0, 05f.u.

Description

Sustancia centelleante y elemento de guía de ondas centelleante.

La invención está relacionada con la física nuclear, la medicina y la industria petrolífera - específicamente, con materiales centelleantes - y está prevista para:

el registro y medición de radiación alfa y gamma de los rayos X; el control de núclidos de radio trans-uranio en el hábitat de una persona (en particular, en las zonas de la catástrofe de Chernobyl); el control no destructivo de la estructura de cuerpos sólidos; la tomografía informática positrón-electrón tridimensional y la fluorografía informática de rayos X sin empleo de películas fotográficas; además del control del nivel líquido de los depósitos de petróleo.

Es conocido el material de oxiortosilicato de lutecio con cerio Lu_{2(1-x)}Ce_{2x}SiO_{5}, donde x varía en el intervalo de 2x10^{-4} a 3x10^{-2} (patente de los Estados Unidos 4.958.080, fecha de la patente: 18 de septiembre, 1990, "Lutetium orthosilicate single crystal scintillator detector", inventores C.I. Melcher, W. Redding, cesionario Schlumberger Technology Corp., además de Victorov L.V., Skorikov V.M., Zhukov V.M., Shulgin B.V., "Inorganic Scintillating Materials", publicación de la Academia de Ciencias de la URSS, Series Inorganic Materials, vol. 27, N° 10, págs. 2005-2029, 1991). Estos cristales centelleantes de Lu_{2(1-x)}Ce_{2x}SiO_{5} presentan numerosas ventajas respecto a otros cristales: mayor densidad, alto número atómico, índice de refracción relativamente bajo, alta emisión de luz y reducido tiempo de extinción de los centelleos. El inconveniente del material centelleante conocido es la elevada dispersión de los parámetros centelleantes más importantes:

valor de la emisión de luz, posición de un máximo de luminiscencia y tiempo de luminiscencia. Esto se demuestra explícitamente mediante resultados experimentales (J.D. Naud, T.A. Tombrello, C.I. Melcher, J.S. Schweiser, "The role of cerium sites in the scintillation mechanism of LSO", IEEE Transactions on Nuclear Science, vol.43, N° 3 (1996), págs. 1324-1328).

La dispersión de los parámetros de los elementos centelleantes de oxiortosilicato de lutecio con cerio se produce debido a un reducido coeficiente de la distribución de los iones de cerio entre un cristal cultivado y una masa fundida (K_{cc} = 0,25), según lo cual un monocristal elaborado a través del método Czochralski tiene una concentración de cerio en su parte inferior que es varias veces mayor que la de su parte superior. Esto se traduce en el hecho de que la emisión de luz de las muestras de luminiscencia es de 2 a 5 veces menor en la parte inferior que en la parte superior, y que el tiempo de extinción aumenta de 41 ns a 50 ns. Estos parámetros de dispersión permiten que sea utilizada sólo una pequeña parte de un monocristal en la producción de elementos centelleantes.

Como prototipos para la invención propuesta se pueden elegir cristales centelleantes de la empresa Hitachi Chemical Co. Ltd. (Tokio, Japón) provistos de la composición y representados por la siguiente fórmula química: Gd_{2-(x+e)}Ln_{x}
Ce_{y}SiO_{5}, en la que Ln = Sc, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb y 0,03 x 1,9, 0,001 y 0,2 (patente europea EP 0456 002B1, fecha de publicación 6.11.1996, "Single crystal scintillator and apparatus for prospecting underground strata using same", inventores S. Akiyama, T. Utsu, H. Ishibashi, C.I. Melcher, J.S. Schweizer, cesionario Hitachi Chemical Ltd., además de la patente US 5.264.154, de fecha 11 de marzo, 1996, "Single crystal scintillator", inventores S. Akiyama, H. Ishibashi, T. Utsu, C.I. Melcher, J.S. Schweizer, cesionario Hitachi Chemical Co. Ltd.).

En los cristales prototipo se puede sustituir un ion Gd^{3+} de gran radio por un ion de pequeño radio, tal como un ion Lu^{3+}. Esto permite controlar ciertos parámetros de centelleo, y, en particular, cambiar el pico de luminiscencia máxima de 430 nm a 416 nm, dentro del campo de una mayor sensibilidad de los multiplicadores fotoeléctricos. El cambio de la composición de los prototipos de cristal posibilita, además, un cambio gradual de su densidad y una disminución del tiempo de luminiscencia de los iones de Ce^{3+}, hasta 30 ns. Incluso con un contenido no significativo de Gd en fundición de - 20 mol%, se puede incrementar la homogeneidad de los cristales cultivados gracias al incremento del coeficiente de distribución de los iones de cerio.

Los inconvenientes del prototipo son la disminución de la emisión de luz de luminiscencia y del número atómico efectivo, si se compara con los cristales conocidos de oxiortosilicato de lutecio. Los autores de la citada invención comparan la emisión de luz del prototipo con la de los cristales conocidos de Ce_{2-x}LU_{2(1-x)}SiO_{5}, resumida en la tabla 1 (G.B. Loutts, A.I.Zagumennyi, S.V. Lavrischev, Yu.D. Zavartsev y P.A. Studenikin, "Czochralski growth and characteristics of (Lu_{1-x}Gd_{x})_{2}SiO_{5} single crystal scintillators", J. Crystal Growth, vol. 174 (1997), págs. 331-336).

Respecto a los inconvenientes del prototipo, cabe mencionar que con un contenido de Gd superior a 50 at.% en la masa fundida, estos materiales cristalizan en singonía monoclínica con el grupo espacial P2_{1}/c, Z=4.

En cristales con el citado grupo espacial, se observa un deterioro de las características de centelleo del ion Ce^{3+}, en comparación con los cristales conocidos Ce_{2-x}LU_{2(1-x)}SiO_{5}, que cristalizan en un tipo estructural con un grupo espacial B2/b, Z=8. Por consiguiente, en los cristales con grupo espacial P2_{1}/c, se observa, por ejemplo, un incremento de la constante del tiempo de extinción del centelleo de 50-60 ns; y un desplazamiento del pico de luminiscencia de 430-440 nm, donde la sensibilidad de los fotomultiplicadores electrónicos es menor. Otro inconveniente esencial de los cristales con grupo espacial P2_{1}/c consiste en un severo agrietamiento durante el corte y pulimento del monocristal, lo cual incrementa considerablemente el coste de fabricación de elementos de un tamaño de 2x2x5 mm para la tomografía positrón-electrón tridimensional con resolución de 8 mm^{3}.

El inconveniente técnico esencial de los cristales centelleantes de Ce_{2-x}LU_{2(1-x)}SiO_{5} conocidos y de los cristales prototipo consiste en el cultivo de cristales a partir de un material fundido con contenido del reactivo Lu_{2}O_{3}, el cual es extremadamente caro al tener una pureza química no inferior al 99,99%. Un inconveniente común de estos materiales, además, es la imposibilidad de crear elementos de guía de ondas centelleantes a expensas de una gradiente del índice de refracción a través de la sección transversal de la guía de ondas.

El objetivo técnico de la invención es incrementar la emisión de luz de la luminiscencia, reducir el tiempo de luminiscencia de los iones de Ce^{3+}, incrementar la capacidad de reproducción de las propiedades de los cristales individuales cultivados, reducir el coste de las materias primas de fusión para el cultivo de centelleadores de cristal contenidos en grandes cantidades en el Lu_{2}O_{3}, ampliar el arsenal de instalaciones técnicas, implementar las propiedades centelleantes, e incrementar la eficacia de la introducción de radiación luminiscente de cristales centelleantes en la fibra de la guía de ondas del vidrio. En formas específicas de implementación, el propósito de la invención es prevenir el agrietamiento de los cristales en el corte y fabricación de los elementos centelleantes, crear propiedades de guía de ondas en los elementos centelleantes a expensas de la gradiente del índice de refracción en su sección transversal, y excluir el elevado coste del pulimento mecánico de la superficie lateral de los cristales centelleantes en la etapa de su cultivo.

El resultado técnico se logra en virtud del cultivo de cristales en un tipo estructural Lu_{2}SiO_{5} con un grupo espacial B2/b(Z=8), además de hacerlo a expensas del ventajoso contenido de iones de Ce^{3+} de un cristal. Tal como demuestra nuestra investigación, los oxiortosilicatos cristalizan con un grupo espacial B2/b sólo si el contenido de lutecio en el cristal no es inferior a 50% at. y el parámetro de la red de material centelleante no sobrepasa los siguiente valores máximos: a = 1,456 nm; b = 1/051 nm; c = 0,679; = 122,4°.

En cristales con un grupo espacial B2/b(Z=8) se observa una emisión de luz centelleante anormalmente alta de los iones de Ce^{3+} en comparación con las restantes composiciones de silicato conocidas, que como norma proporcionan una emisión de luz 2 a 5 veces menor durante la excitación gamma.

El reparto de la radiación de los rayos X, transformada en energía de los electrones primarios, y especialmente la eficacia de la interacción gamma-cuanto con el material de un centelleador, depende de una proporción aproximada equivalente al cubo del número atómico efectivo. En el caso de los cuantos con energía de E 1,022 MeV, la interacción de los cuantos con el material de un cristal centelleante se debe al proceso de fotoefecto y a la dispersión no coherente y coherente. En el caso de energías que exceden el doble de la energía de los electrones en estado de reposo (E 1,022 MeV), se añade también un proceso de formación de pares electrón- positrón. Se estima que, en la formación de un par, cada uno de los cuantos y primarios que actúan entre sí da lugar a la creación de al menos tres cuantos y secundarios dispersados. Dos de éstos tienen una energía de 0,511 MeV cada uno, representan la radiación y aparecen en la aniquilación de electrones y positrones. Es obvio, por lo tanto, que en una tomografía positrón- electrón tridimensional es preferible utilizar cristales centelleantes con un número atómico mayor. En el proceso de cultivo de los cristales, los pesados iones de Lu^{3+} que se sustituyen por una mezcla más liviana de iones de Me^{1+}, Me^{2+}, Me^{3+}, Me^{4+}, Me^{5+} y Me^{6+} pueden generar el cultivo de cristales con una menor densidad, de 7,2 a 7,4 g/cm^{3}, con un número atómico Z = 58-63. En el cultivo de grandes monocristales a través del método Czochralski, y con el fin de compensar la carga y corregir el número atómico efectivo, es preferible usar iones pesados de Hf^{4+}, Ta^{5+} y W^{6+}, que previenen los cambios en los parámetros físicos (densidad, índice de refracción) a lo largo del diámetro de los cristales de gran tamaño (40 a 80 mm), y que además permiten una recepción de cristales con idénticos parámetros de centelleo, es decir, con un incremento de la capacidad de reproducción de propiedades de los elementos centelleantes fabricados a partir de cristales individuales cultivados.

El grupo espacial B2/b(Z=8) contiene 64 iones de una unidad elemental, y en particular ocho iones de lutecio del primer tipo (Lu_{1}) y ocho iones de lutecio del segundo tipo (Lu_{2}). La energía de sustitución Ce^{3+} Lu_{1} es igual a +6,90 eV, y la energía de sustitución Ce^{3+} Lu_{2} es igual a +7,25 eV. En ambos casos, la energía de sustitución es positiva, ya que el ion radio Ce^{3+} es mayor que el ion radio Lu^{3+}. El desplazamiento diferente de los iones de oxígeno después de la sustitución de Ce^{3+}

Lu_{1}, Lu_{2} en el poliedro de coordinación LuO_{7} y LuO_{6} es el principal determinante de unas características diferentes en el centelleo del material. La emisión de luz, la posición del máximo de luminiscencia y la constante del tiempo de extinción de los centelleos (tiempo de luminiscencia) dependen del número de Ce^{3+} que hayan sustituido a los iones de Lu_{1} y/o Lu_{2}. Por consiguiente, en la excitación gamma, ambos centros de luminiscencia siempre se excitan con una luminiscencia simultánea, dependiendo la constante de tiempo para la extinción de los centelleos tanto de la duración de la luminiscencia del primer y segundo centros como de la relación de la concentración de iones Ce^{3+} en los poliedros de coordinación LuO_{7} y LuO_{6}. El centro de luminiscencia Ce_{1} (poliedro LuO_{7}) tiene un tiempo de luminiscencia de 30 a 38 ns en la posición de luminiscencia máxima de 410 a 418 nm. El centro de luminiscencia Ce_{2} (poliedro LuO_{6}) tiene un tiempo de luminiscencia de 50 a 60 ns y una posición de luminiscencia máxima de 450 a 520 nm. El resultado técnico máximo se observa en los cristales centelleantes con contenido de Ce^{3+} sólo en poliedros de coordinación LuO_{7}. La presencia simultánea de iones de Ce^{3+}, LuO_{7} y LuO_{6} reduce la emisión de luz de 3 a 10 veces, incrementa el tiempo de luminiscencia de 40 a 50 ns y desplaza el máximo de luminiscencia al área de menor sensibilidad de los multiplicadores de fotoelectrones. Los cristales que contienen iones de Ce^{3+} convenientemente coordinados con poliedros LuO_{7} se reciben, además, con una dosificación de iones de los siguientes elementos: Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo y W. Según esto, los iones de Ti, Zr, Sn, Hf, Nb, Sb y Ta ocupan, en la red de cristales, la posición de coordinación octaédrica (poliedro LuO_{6}) debido a la mayor fuerza de adherencia de tales iones. Por ejemplo, los iones de As, V, Mo y W ocupan posiciones tetraédricas, quedando las posiciones octaédricas considerablemente distorsionadas.

Se logra un resultado técnico adicional mediante el uso de un reactivo de origen de Lu_{2}O_{3} con una pureza de 99,9% (o menos) en lugar de un reactivo de Lu_{2}O_{3} con la pureza de 99,99% y la pureza de 99,999% del prototipo, obteniéndose una reducción de 2,5 a 3 veces en el coste de la materia prima de fundición empleada en el cultivo de cristales. Algunas mezclas del reactivo de origen de Lu_{2}O_{3}, con una pureza de 99,9% (o menos), pueden reducir en 2 a 10 veces la emisión de luz de la luminiscencia. La disminución en la emisión de luz se produce por la formación de iones de Ce^{4+} en la sustitución heterovalente durante el cultivo de los cristales en el fondo de la cristalización. A continuación se señalan los esquemas de sustitución más simples:

(1) Lu^{3+} + Si^{4+}

\hskip0.5cm

Ce^{3+} + Si^{4+} ... sustitución óptima de iones de lutecio por iones de cerio.

(2) Lu^{3+} + Si^{4+}

\hskip0.5cm

Ce^{4+} + Me^{3+} ... sustitución heterovalente altamente probable, dañina y no deseable con la compensación de carga para mezclas de Me^{3+} Be, B, Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, In.

(3) 2Lu^{3+}

\hskip0.5cm

Ce^{4+} + Me^{2+} ... sustitución heterovalente altamente probable, dañina y no deseable con la compensación de carga para mezclas de Me^{3+} = Mg, Ca, Mn, Co, Fe, Zn, Sr, Cd, Ba, Hg, Pb.

(4) 3Lu^{3+}

\hskip0.5cm

Ce^{4+} + Me^{1+} ... sustitución heterovalente probable y no deseable con la compensación de carga en altas concentraciones de iones de cerio para mezclas de Me^{+} = Li, Na, K, Cu, Rb, Cs, Tl.

No obstante, la introducción adicional en la fundición de al menos uno de los compuestos químicos (por ejemplo, óxido) de los elementos del grupo Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo y W en una cantidad 2 a 3 veces superior al total de concentraciones en porcentaje atómico de los iones de la mezcla (Me^{+}, Me^{2+}, Me^{3+}) eliminó la formación de iones de Ce^{4+} en el proceso de cultivo de los cristales. Esto guarda relación con el hecho de que, al fondo de la cristalización, se produce una sustitución heterovalente de acuerdo con unos esquemas energéticamente más beneficiosos con la compensación de carga

(5) Lu^{3+} + Si^{4+}	Me^{2+} + Me^{5+}

(6) Lu^{3+} + Si^{4+}	Me^{+} + Me^{6+}

(7) Lu^{3+} + Si^{4+}	Me^{4+} + Me^{3+}

En una forma específica de implementación de la invención, el resultado técnico, expresado en la prevención del agrietamiento de los cristales durante el corte y fabricación de los elementos centelleantes, se consigue con la introducción adicional en el material de al menos uno de los elementos del grupo H, F, Li, Be, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Hg, Tl, Pb y Bi.

Los monocristales que contienen micromezclas heterovalentes con carga no compensada son los responsables del agrietamiento durante el proceso de cultivo y corte de un cristal. Por este motivo, por ejemplo, la adición a un material centelleante con una cantidad necesaria de iones provistos de un grado de oxidación de +4, +5, +6 (por ejemplo, Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Ta, Mo, W, Th) permite prevenir el agrietamiento de los cristales en el proceso de cultivo y corte de los monocristales singulares y de los elementos de fabricación. Estos iones, en su concentración óptima, proporcionan una sustitución heterovalente de la compensación de carga según las ecuaciones (5), (6) y (7).

El resultado técnico independiente - la creación de propiedades de guía de ondas en un elemento de guía de ondas a través de su sección transversal - se logra independiente-mente de la estructura del oxiortosilicato que está siendo cristalizado, es decir, independientemente del contenido de lutecio del cristal a causa del contenido adicional, comparado con el del prototipo, de material centelleante de al menos un elemento del grupo: H, F, Li, Be, B, C, N, Na, Mg, Al, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, U y Th. Por el contrario, la disponibilidad en la parte central de un elemento centelleante de iones de F y/o H, Li, Be, B, C, N, Na, Mg, Al, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb y Lu en una concentración menor, y unos iones de Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, U y Th en una concentración mayor que en la zona periférica del volumen, genera propiedades de guía de ondas en este elemento.

El caso específico de la invención propuesta es el cultivo de los citados cristales en ambientes inertes, de reposición o levemente oxidantes. Bajo estas condiciones, se forman vacuidades de oxígeno sub-red en los cristales; la composición de estos cristales se describe a través de la fórmula Lu_{1}A_{1-x}Ce_{x}SiO_{5-z}, en la que A, Lu y al menos uno de los elementos de los grupos Gd, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm y Yb, en la que x es la concentración de iones de cerio y z es la concentración de vacíos de oxígeno. Con una reducida concentración de vacuidades del oxígeno sub-red, dichas vacuidades tienen escasa influencia sobre los tiempos de luminiscencia de los iones de Ce^{3+} y de la emisión de luz de los materiales centelleantes. No obstante, un incremento de las concentraciones genera una acentuada disminución de la emisión de luz. En este sentido, el material centelleante propuesto, con vacuidades de oxígeno, debe considerarse como un caso aislado de la presente invención. La presencia en los reactivos de origen o la adición en cantidad necesaria al material centelleante de iones con un grado de oxidación de +4, +5, +6 (por ejemplo, Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo, W, Th) interfiere en la formación de vacuidades en un oxígeno sub-red.

El aumento de la eficiencia de introducción de radiación del cristal centelleante en la fibra de guía de ondas del vidrio constituye una tarea técnica independiente. Este resultado técnico se logra empleando un elemento centelleante de guía de ondas, es decir, creando unas propiedades de guía de ondas en el elemento centelleante mismo a expensas de la gradiente del índice de refracción a través de su sección transversal. La gradiente del índice de refracción aparece en el cristal debido a la diferencia de la composición química de su parte central respecto a la composición química de su parte lateral, de forma similar a las guías de ondas ópticas del vidrio usadas en la transmisión óptica de información "Reference book on laser technology". Traducción del alemán por V.N. Belousov, Moscú, "Energoizdat", 1991, pág. 395, Wissensspreicher Lasertxchnik/Witolf Brunner, Klaus Junge/VEB Fachbucherverlag Leipzig, 1987. El índice de refracción de la parte central del elemento de guía de ondas centelleante debe ser mayor que el de la parte periférica. En este caso, el elemento centelleante adquiere una propiedad adicional: enfoca la radiación a lo largo del eje de un elemento, con lo cual la radiación emerge del elemento centelleante con una divergencia menor que la de los elementos centelleantes convencionales. Esto permite reducir la divergencia, y, consecuentemente, reducir las pérdidas de radiación durante su introducción en una fibra de vidrio. La reducción del índice de refracción de la parte periférica del elemento centelleante provocada por el cambio de la composición del cristal se consigue mediante cualquiera de los procedimientos conocidos, o combinación de los mismos:

- cultivo de un cristal perfilado, que permite la inmediata recepción de los cristales, la composición de la parte periférica de los cuales es diferente a la de la parte central,

- difusión de átomos de luz provenientes de la masa fundida,

- difusión de la fase dura o de la fase gaseosa hacia el interior de la capa superficial del elemento centelleante.

Además, con el fin de reforzar el efecto de guía de ondas después del cultivo, las superficies no pulidas de los elementos centelleantes se pueden pulir por medios químicos. Todas las superficies laterales de los elementos centelleantes se pueden pulir simultáneamente, en cantidades de 2 a 100 piezas (o más) - por ejemplo, con unos tamaños de 2x2x15 mm o de 3x3x15 mm. Para el decapado se puede emplear una mezcla cualquiera de ácidos de pulir basada en H_{3}PO_{4}, con la adición de algún ácido, tal como HNO_{3}, H_{2}SO_{4}, HCl o HF. Para mejorar las propiedades del pulido, se puede agregar a la muestra de ácidos cualquier sal orgánica o inorgánica que contenga iones de H, Li, Be, B, C, N, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Br, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Cs, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, T1, Pb, Bi y U. La comparación entre elementos centelleantes con superficies pulidas mecánicamente frente a elementos con superficies pulidas químicamente demuestra que el pulido químico incrementa la capacidad de refracción de la superficie de cualquier elemento centelleante, incluyendo la de un elemento de guía de
ondas.

El cultivo de los cristales centelleantes perfilados y el pulido químico adicional de las superficies de dichos elementos centelleantes proporcionan un resultado técnico positivo en el que se excluye el caro pulimentado mecánico de las superficies laterales de los elementos centelleantes, incluyendo el pulido en su etapa de cultivo. Deberá tenerse presente que el cultivo de los cristales centelleantes perfilados evita el elevado coste de tener que pulir las superficies laterales, gracias a la introducción de los cristales en el material de las citadas mezclas. Estas mezclas, en determinadas concentraciones, previenen la evaporación de componentes fácilmente volátiles desde la superficie del cristal de cultivo. El resultado es que la superficie de las piezas en bruto usadas para los elementos centelleantes es suave, y no requiere un pulido mecánico adicional. En casos específicos, se requiere un pulido químico adicional de las superficies laterales de los elementos centelleantes.

Los elementos centelleantes de guía de ondas con gradiente del índice de refracción en su sección transversal permiten incrementar, casi al doble, la eficacia de la introducción de radiación en la fibra de guía de ondas del vidrio (con longitudes de 4 a 5 metros), fibra que transmite la radiación desde un cristal centelleante al multiplicador fotoelectrónico. La presencia de una fibra de guía de ondas constituye el elemento de diseño fundamental e imprescindible de un nuevo tipo de tomografía médica tridimensional, usando simultáneamente dos procedimientos físicos diferentes para obtener imágenes del cerebro de una persona: la tomografía electrón-positron, para el proceso metábólico del cerebro, y la tomografía de resonancia magnética, para la creación de un mapa de la composición atómica del cerebro. La tomografía de resonancia magnética exige que los componentes con contenido metálico de los multiplicadores fotoelectrónicos sean situados a cierta distancia, debido a lo cual el uso de la fibra de guía de ondas de vidrio constituye la única posibilidad de combinar la tomografía electrón-positrón con la tomografía de resonancia magnética en un único dispositivo. Este es el motivo por el cual el uso de un elemento centelleante de guía de ondas que pueda fabricarse con un material centelleante cualquiera (Ce:Gd_{2}SiO_{5}, Ce:Lu_{3}Al_{5}O_{12}, Ce:YAIO_{3}, Bi_{4}Ge_{3}O_{12}, entre otros) se considera válido para nuevas aplicaciones de un material con propiedades de guía de ondas a expensas de la gradiente del índice de refracción a lo largo de su sección transversal.

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1. Material centelleante basado en cristales conocidos de oxiortosilicatos, incluyendo el cerio (Ce), y cristalizado en un tipo estructural de Lu_{2}SiO_{5} con un grupo espacial B2b/b Z=8 de una composición representada por la fórmula química

Lu_{1}A_{1-x}Ce_{x}SiO_{5}

en la que A, Lu y al menos uno de los elementos del grupo Gd, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Th, Dy, Ho, Er, Tm e Yb, en la que y tiene de 1x10^{-4}f. unidades hasta 0,2f. unidades,

conteniendo al menos un elemento del grupo Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo, y W en el intervalo de 1x10^{17} átomo/cm^{3} hasta 5x10^{20} átomo/cm^{3}.

El límite inferior de estos elementos lo determina el hecho de que, en concentraciones inferiores a las del anteriormente citado límite del resultado técnico, no se observa un aumento de la emisión de luz de la luminiscencia, una disminución del tiempo de luminiscencia para los iones de Ce^{3+}, un aumento de la capacidad de reproducción de las propiedades de los cristales independientes crecidos, y una disminución del coste de la materia prima de fundición de origen para el cultivo de los cristales de los centelleadores con un gran contenido de Lu_{2}O_{3}. Con unas concentraciones de estos elementos por debajo del citado límite, tampoco se logra implementar la tarea técnica en formas de ejecución individuales, es decir, es imposible prevenir el agrietamiento de los cristales durante el corte y fabricación de los elementos centelleantes al emplear Lu_{2}O_{3} con una pureza de 99,9% (o menos) como reactivo de origen. El límite superior de estos elementos lo determina su posible contenido máximo de cristales, los cuales cristalizan en un tipo estructural Lu_{2}SiO_{5} con un grupo espacial b2/b (Z=8). Cuando este contenido sobrepasa el límite indicado, se produce la destrucción del tipo estructural Lu_{2}SiO_{5}, formándose inclusiones de otras fases que determinan la dispersión de la luz y la disminución de la transparencia del cristal centelleante.

2. Material centelleante basado en cristales conocidos de oxiortosilicato, incluyendo el cerio (Ce), cuya composición está representada por la fórmula química

A_{2-x}Ce_{x}SiO_{5}

en la que A es al menos uno de los elementos del grupo Lu, Gd, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm e Yb, en la que x tiene de 1x10^{-4}f. unidades hasta 0,2f. unidades,

conteniendo flúor (F) en el intervalo de 1x10^{-4}f. unidades hasta 0,2f. unidades y/o al menos uno de los elementos del grupo H, Li, Be, B, C, N, Na, Mg, Al, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, T1, Pb, Bi, U y Th en el intervalo de 1x10^{17} átomo/cm^{3} hasta 5x10^{20} átomo/cm^{3}.

El límite inferior de estos elementos lo determina el hecho de que, en concentraciones inferiores a las del anteriormente citado límite del resultado técnico, no se puede lograr la creación de propiedades de guía de ondas en elementos centelleantes a expensas de la gradiente del índice de refracción.

El límite superior de estos elementos lo determina su posible contenido máximo de cristales con la estructura del ortosilicato. Cuando este contenido sobrepasa el citado límite, se produce la destrucción de la estructura del oxiortosilicato.

3. Un caso individual de las invenciones propuestas consiste en un material centelleante que además contiene vacuidades de oxígeno en cantidad no superior a 0,2f. unidades. Este material centelleante, cristalizado en el tipo estructural Lu_{2}SiO_{5} y con un grupo espacial B2/b Z=8, tiene una composición representada por la fórmula
química

Lu_{1}A_{1-x}Ce_{x}SiO_{5-Z}

en la que A, Lu y al menos uno de los elementos del grupo Gd, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb tiene

x - de 1x10^{-4}f. unidades hasta 0,2f. unidades,

y - de 1x10^{-5}f. unidades hasta 0,2f. unidades.

El cultivo de los citados materiales centelleantes en ambientes inertes, de reposición o levemente oxidantes, genera la formación de vacuidades de oxígeno en los cristales, los cuales, en pequeñas concentraciones, afectan ligeramente la consecución del resultado positivo de la invención. Es prácticamente imposible establecer un límite inferior para el contenido de las vacuidades de oxigeno en un material centelleante debido a que no existe una metodología válida para determinar las bajas concentraciones de las vacuidades de oxígeno, por lo que el límite inferior se sitúa en 1x10^{-5}f. unidades, correspondientes a la concentración mínima de mezclas heterovalentes de Me^{2+}e cuya presencia en el cristal de un centelleador provoca la aparición de vacuidades en el oxígeno sub-red.

El límite superior del contenido de vacuidades de oxígeno está determinado por el hecho de que los materiales centelleantes con un contenido de vacuidad de oxígeno superior a 0,2f. unidades no son aplicables a sus fines directos, o sea, el registro de radiaciones de rayos X, gamma y alfa.

4. El otro caso individual de las invenciones propuestas consiste en un material centelleante que contiene iones de Ce^{3+} en el intervalo de 5x10^{-5}f. unidades a 0,1f. unidades.

El límite inferior de los iones de cerio lo determina el hecho de que, con un contenido de Ce^{3+} en cantidad inferior a 5x10^{-5}f. unidades, la eficacia de una luminiscencia centelleante de Ce^{3+} se torna insignificante a causa de la pequeña concentración. Cabe mencionar que el límite del intervalo de concentración para el contenido de cerio de un cristal disminuye el equivalente a dos veces. Esto está relacionado con el hecho de que, al utilizar la materia centelleante propuesta, la posibilidad de recibir materiales centelleantes, o sea, oxiortosilicatos con un contenido máximo posible de iones de Ce^{3+}, se presenta solamente en un poliedro de coordinación LuO_{7}.

El límite superior de contenido de Ce^{3+} de un cristal está determinado por el hecho de que, con un contenido de Ce^{3+} superior a 0,1f. unidades, es imposible obtener ópticamente un cristal de alta calidad. Esto está relacionado con el elevado contenido de elementos adicionales presentes en un cristal, los cuales son necesarios pata obtener un contenido máximo posible de iones de Ce^{3+} en poliedros de coordinación LuO_{7}.

5. El otro caso individual de las invenciones propuestas consiste en un material centelleante cuyas superficies se pulen adicionalmente mediante decapado químico.

Este pulido químico adicional incrementa los efectos logrados durante la solución de las tareas técnicas del proceso de fabricación de los elementos centelleantes usando los nuevos materiales propuestos.

6. Para solucionar la tarea técnica de incrementar la eficacia de la introducción de irradiación en la fibra de guía de ondas del vidrio, se propone por vez primera el uso del efecto de guía de ondas conocido, creado directamente a expensas de las concentraciones de gradiente del elemento centelleante. Así, un elemento centelleante de guía de ondas permite emplear el efecto de guía de ondas conocido para una nueva finalidad, consistente en aumentar la emisión de luz de la irradiación que aparece en el elemento centelleante durante el registro de la radiación de rayos X, gamma y alfa mediante el enfoque de la radiación de la luminiscencia a lo largo del eje del elemento centelleante. Las características de la invención relacionadas con el elemento centelleante de guía de ondas tienen un carácter general, es decir, guardan relación con cualquier material centelleante (vidrio, cristales de óxido y flúor, materiales compuestos, y otros) usados para el registro y medición de la radiación de rayos X, gamma y alfa, y de protones, neutrones y otras partículas pesadas.

Tabla 1. Comparación de la emisión de luz y del número atómico efectivo de los cristales del prototipo dependiendo de la composición del material centelleante.

Tabla 2. La constante del tiempo de extinción del centelleo (\tau, ns) y de la emisión de luz (%).

La figura 1 muestra el diagrama de reflexión y expansión de la radiación luminiscente de un elemento centelleante (L»R) con un índice de refracción constante, presente en detectores de centelleo conocidos (RxR - sección transversal del elemento; L - su longitud; n - el índice de refracción). El elemento centelleante 1 tiene seis facetas laterales, todas las cuales han sido pulidas mecánicamente. Para incrementar la eficacia de la reflexión se puede emplear, por ejemplo, un revestimiento reflectante metálico 2 de aluminio, o bien unos elementos reflectantes 3 de MgO, Al_{2}O_{3}, Bn, teflón u otros materiales blancos. La radiación luminiscente 4, que emerge del plano extremo del elemento, es dirigida al multiplicador de fotoelectrones o enfocada hacia el interior de una guía de luz de vidrio para ser transferida al dispositivo de medición situado a algunos metros del elemento centelleante.

La figura 2 muestra el diagrama de reflexión y expansión de la radiación luminiscente de un elemento centelleante (L »R) con la gradiente del índice de refracción a lo largo de la sección transversal (RxR - sección transversal del elemento; L - su longitud; n_{1} - el índice de refracción en el centro del elemento; n_{2} - el índice de refracción en la periferia del elemento; - un ángulo de la expansión del haz de luminiscencia). El elemento centelleante 1 tiene sólo una faceta pulida, a través de la cual sale la radiación para su registro. La radiación luminiscente 4 que emerge del plano extremo del elemento es dirigida hacia el multiplicador de fotoelectrones o enfocada hacia el interior de una guía de luz de vidrio para ser transferida al dispositivo de medición situado a algunos metros del elemento centelleante.

La figura 3 muestra una emisión de luz del elemento centelleante 1 que sale de un cristal Lu_{1,997}Ce_{0,002}Ta_{0,001}SiO_{5,0004} después de un pulido químico, que es más de 5 veces mayor que con 2, un elemento convencional Bi_{4}Ge_{3}O_{12} con superficies laterales pulidas mecánicamente. Las mediciones se realizan en muestras de idéntico tamaño, en las mismas condiciones.

Ejemplos de composiciones específicas de cristales y prototipo, creadas con el método Czochralski, se incluyen en la tabla 2.

Ejemplo 1 Cultivo de cristales con tipo estructural Lu_{2}SiO_{5} y grupo espacial B2/b(Z=8), que además contienen al menos un elemento del grupo Ti, Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo y W

El cultivo de estos cristales se realizó según el esquema general, mediante extrusión de la masa fundida usando un procedimiento cualquiera, aunque particularmente el método Czochralski (descrito detalladamente a continuación, en el ejemplo 2).

Un cristal centelleante, cultivado a partir de una materia prima de fusión de Lu_{1,997}Ce_{0,02}W_{0,003}SiO_{5,002} y basado en Lu_{2}O_{3} (pureza 99,8%), que además contiene iones de tungsteno en proporción de 1,2x10^{19} átomo/cm^{3}, tiene una posición de máxima luminiscencia de aproximadamente 418 nm y un tiempo de luminiscencia (extinción de centelleos) = 39 ns, frente a = 42 ns para el cristal cultivado a partir de la masa fundida usando la composición Lu_{1,98}Ce_{0,02}SiO_{5} (tabla 2).

Estos datos confirman la posibilidad de realizar un adecuado cultivo de cristales con contenido de iones de Ce^{3+} en poliedros de coordinación LuO_{7} si la masa fundida se dosifica con iones de los siguiente elementos: Ti, Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo y W, que en un cristal ocupan un poliedro octaedro LuO_{6}, o unas posiciones tetraédricas. Todas estas mezclas de iones tienen una mayor concentración en la capa difusa del frente de cristalización, ya que sus coeficientes de distribución son reducidos (K<0,2). Una mayor concentración de las mezclas, con cargas de 4+, 5+, 6+ en una capa difusa, interfiere con la incorporación al cristal de los átomos de cerio en forma de Ce^{4+}, y no afecta al proceso competitivo de sustitución del Ce^{3} Lu_{1}, convirtiéndose en el elemento principal.

Ejemplo 2

Obtención de un material centelleante basado en un cristal de oxiortosilicato, incluyendo cerio (Ce), cuya composición se expresa por la fórmula química A_{2-x}Ce_{x}SiO_{5}, en la que A es al menos un elemento del grupo L, Gd, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm y Tb, y que además contiene flúor (F) y/o al menos uno de los elementos del grupo H, Li, Be, B, C, N, Na, Mg, Al, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, T1, Pb, Bi, U y Th.

La información de la tabla 2 demuestra la posibilidad de usar un reactivo Lu_{2}O_{3} con una pureza de 99,8% en lugar de un Lu_{2}O_{3} con una pureza de 99,995%, que es más caro. La introducción de iones compensatorios adicionales al usar el reactivo Lu_{2}O_{3} con una pureza de 99,8% elimina la posibilidad de deterioro del parámetro más importante: la constante del tiempo de extinción del centelleo, por ejemplo, en cristales cultivados a partir de materia prima en fusión con la composición Lu_{1,974}Ce_{0,02}Ca_{0,001}Ta_{0,005}SiO_{4,94}F_{0,06} y Lu_{1,975}Ce_{0,02} Ta_{0,05}SiO_{5,002}.

Para cultivar el cristal de ortosilicato de lutecio-cerio-tántalo por el método Czochralski, se usó masa en fusión de una materia prima de composición Lu_{1,975}Ce_{0,02}Ta_{0,005}SiO_{5,002} que contenía micromezclas de Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, W, Pb y Th, presentes en el reactivo de origen Lu_{2}O_{3} (98,8%) en el intervalo de 1x10^{17} átomo/cm^{3} a 1x10^{19} átomo/cm^{3}. Se empleó el procedimiento siguiente para la recepción de las muestras: reactivos de origen de óxido de lutecio y óxido de silicio fueron mezclados minuciosamente, prensados hasta formar pastillas y sintetizados en un crisol durante 10 horas, a 1200°C. A continuación, mediante inducción térmica, las pastillas fueron fundidas en un crisol de iridio dentro de una cámara sellada y en una atmósfera de nitrógeno (% volumétrico 100 de N_{2}). Antes del cultivo, se agregó óxido de cerio y de tantalio a la masa fundida. En el crisol de iridio, se cultivó un cristal con un diámetro de 80 mm dentro de un volumen de 330 cm^{3} de masa fundida. Se aplicó una velocidad de tracción del cristal de 3 mm/hora y una frecuencia de rotación del cristal de 20 giros/minuto. Una vez separado del cultivo, el cristal fue enfriado gradualmente, durante 40 horas, hasta la temperatura ambiente.

La investigación experimental sobre la relación de la constante del tiempo de extinción de los centelleos (\tau, ns) y la emisión de luz en el área de 400 a 430 nm, dependiendo de la composición química de los cristales, se realizó mediante radiación del núclido de radio ^{60}Co, de forma similar a la metodología de E.G. Devitsin, V.A. Koslov, S.Yu. Potashov, P.A. Studenikin, A.I. Zagumennyi y Yu.D.Zavartsev, "Luminiscent properties of Lu_{3}Al_{5}O_{12} crystal, doped with Ce", actas de la Conferencia Internacional "Inorganic scintillators and their applications" (SCINT '95), Delft, Países Bajos, 20 de agosto al 1 de septiembre, 1995. Los resultados de las mediciones se incluyen en la tabla 2.

Ejemplo 3.

Material centelleante basado en un cristal de ortosilicato con contenido de vacuidades de oxígeno. Para crear las vacuidades de oxígeno en unas muestras cristalinas obtenidas mediante el método Czochralski, se procedió a calentarlas en vacío, durante 2 horas, a una temperatura en el intervalo de 1200°C a 1620°C.

La formación de vacuidades de oxígeno afecta de manera insignificante a los parámetros de centelleo de cristales cultivados a partir de reactivos con una pureza de 99,995%. Por el contrario, las vacuidades de oxígeno generan una disminución del 20% al 70% en la emisión de luz de los cristales que tienen, por ejemplo, una dosificación adicional de iones de Mo, W o Ta debido a la formación de centros de extinción.

La presencia de vacuidades de oxígeno suprime totalmente la luminiscencia de las mezclas de tierra rara de iones de Pr, Sm, Tb, Ho, Er y Tm, y no afecta a las propiedades de luminiscencia de los iones de Ce^{3+}. En el caso de cristales de oxiortosilicato que además contienen vacuidades de oxígeno, se suprime, hasta su total ausencia, la luminiscencia de iones de Tm^{3+} a 452 nm, iones de Pr^{3+} a 470-480 nm y a 520-530 nm, iones de Tb^{3+} a 544 nm, iones de Ho^{3+} a 550 nm, iones de Er^{3+} a 560 nm, y iones de Sm^{3+} a 593 nm. El tiempo de luminiscencia (tiempo de extinción) de los iones de Pr, Sm, Tb, Ho, Er y Tm es, en diversos órdenes de magnitud, mayor que el de los iones de Ce^{3+}. Por este motivo, se debe suprimir la luminiscencia de la mezcla de iones de tierra rara en las áreas visible e infrarroja del espectro para preservar la actuación rápida de los elementos basados el ion Ce^{3+}, según se observa experimentalmente en cristales de silicato que además contienen vacuidades de oxígeno.

Ejemplo 4

Material centelleante basado en cristal de oxiortosilicato con contenido de iones de Ce^{3+} en cantidad de 5x10^{-5}f. unidades hasta 0,1f. unidades. Para el cultivo por el método Czochralski del cristal de ortosilicato de lutecio-cerio-tantalio con contenido de iones de Ce^{3+} en una magnitud de 5x10^{-5}f. unidades, se empleó una materia prima de fusión con la composición química Lu_{1,975}Ce_{0,00025}Ta_{0,005}SiO_{5,002} basada en reactivos de origen (Lu_{2}O_{3}, CeO_{2}, SiO_{2}, Ta_{2}O_{5}) con una pureza de 99,995%. El cristal se cultivó en un crisol de iridio de 60 mm de diámetro, a una velocidad de tracción de 3 mm/hora y una frecuencia de rotación de 20 giros por minuto.

Con un contenido de Ce^{3+} del cristal en una cantidad inferior a 5x10^{-5}f. unidades, la eficacia de la luminiscencia de centelleo del Ce^{3+} se torna en insignificante a causa de la baja concentración, con el resultado de que la emisión de luz (tabla 2) no excede de 6% en las muestras obtenidas de la parte superior e inferior del monocristal con un peso de 1040 g.

La ventaja técnica importante de los cristales de centelleo de oxiortosilicatos que contienen pequeñas cantidades de iones de Ce^{3+} (5x10^{-4} a 5x10^{-5}f. unidades) consiste en la posibilidad de emplear el 100% de la masa fundida en el proceso de cultivo del cristal, lo cual incrementa considerablemente el rendimiento de los crisoles de iridio y consecuentemente reduce el coste de los elementos centelleantes.

Ejemplo 5 Pulido químico de la superficie lateral del elemento centelleante

El método Stepanov, o cualquier método similar, permite cultivar unos cristales de centelleo con la necesaria sección transversal (2x2 mm o 3x3 mm), eliminando la operación de corte de los monocristales de gran tamaño y posibilitando el pulido químico simultáneo de todas las superficies laterales de los elementos centelleantes en cantidades de 2 a 100 piezas (o más) de un tamaño, por ejemplo, de 2x2x15 mm o 3x3x15 mm. La superficie lateral puede tener cualquier forma: cilíndrica, cónica, rectangular, poligonalo aleatoria. El pulido químico de bajo coste permite excluir el caro pulido mecánico de la superficie lateral de los elementos centelleantes durante su proceso de fabricación.

El cristal Lu_{1,997}Ce_{0,002}Ta_{0,001}SiO_{5,0004} se cultivó a través del método Czochralski, siguiendo la metodología descrita en el ejemplo 2. Se cortaron 40 elementos centelleantes de un monocristal (10 elementos de tamaño 2x2x15 mm, 10 elementos de tamaño 2x2x12 mm, 10 elementos de tamaño 3x3x15 mm y 10 elementos de tamaño 3x3x20 mm). Los 40 elementos fueron sometidos simultáneamente a pulido químico a una temperatura de 260°C, en una mezcla con la siguiente composición: H_{3}Po_{4} (30%) + H_{2}So_{4} (61%) + NaF (4%) + NaCl (5%). La concentración se expresa en porcentaje en peso. El tiempo óptimo de decapado químico es 30 minutos. El pulido químico dio como resultado una superficie lateral ópticamente suave en la que no se observan pirámides de cultivo ni picaduras de decapado.

Después del pulido químico, la emisión de luz del elemento centelleante Lu_{1,997}Ce_{0,002}Ta_{0,001}SiO_{5,0004} es cinco veces superior a la emisión normal usada en la tomografía electrón-positrón de Bi_{4}Ge_{3}O_{12} con superficies laterales pulidas mecánicamente (figura 3).

Ejemplo 6 Creación de propiedades de guía de ondas en elementos centelleantes a expensas de la gradiente del índice de refracción a lo largo de su sección transversal

En el proceso de cultivo de un cristal perfilado a partir de una masa fundida, la sección transversal del cristal está determinada por la forma de la columna de masa fundida. La creación de una columna de masa fundida con una determinada forma obtenida con la ayuda de un elemento formador se conoce como método Stepanov de cultivo de cristales perfilados Antonov P.I., Zatulovskiy L.M., Kosty-gov A.S. y otros, "Obtaining profiled single crystals and articles by Stepanov's method", L. Nauka, 1981, pág. 280.

La aplicación del método de Stepanov brinda la posibilidad de cultivar cristales centelleantes de tamaño 3x3x200 mm con formación de núcleo de guía de ondas en el cristal durante el proceso de cultivo. El núcleo de guía de ondas aparece en el caso de existir mezclas en la masa fundida, las cuales, dependiendo de su coeficiente de distribución, se concentran en la parte central (K>l) o en la parte periférica (K<l) del cristal cultivado. La figura 2 muestra una distribución no uniforme de la mezcla a lo largo de la sección transversal del cristal (índice de refracción n_{1} en el centro del cristal e índice de refracción n_{2} en la periferia del cristal). La distribución no uniforme de los iones de la mezcla a lo largo de la sección transversal (3x3 mm) del cristal genera una gradiente del índice de refracción a lo largo de dicha sección transversal, en tanto que, si n_{1}>n_{2}, se produce un efecto de guía de ondas. El efecto de guía de ondas se traduce en el enfoque de un flujo de luz que discurre a lo largo del eje del elemento, flujo que incrementa la cantidad de luz y abandona el plano extremo del elemento centelleante, lo cual eventualmente determina la eficacia de un detector concreto de rayos gamma. El incremento del flujo de luz desde el plano extremo del elemento centelleante se produce debido a una disminución de la suma de pérdidas de radiación centelleante durante el reflejo desde una superficie lateral.

La segunda ventaja importante de los elementos centelleantes (tamaño 3x3x15 mm, después de trocear una barra de cristal en varios elementos) con efecto de guía de ondas, comparados con unos elementos de 3x3x15 mm fabricados a partir de un gran monocristal, consiste en que los primeros tienen una eficacia 1,5 a 1,6 veces mayor en la emisión de haces de luz dirigidos hacia el interior de una guía de luz de vidrio a través de la cual la radiación centelleante es transferida desde el elemento centelleante hasta el multiplicador fotoelectrónico de un nuevo tipo de tomografía tridimensional que usa, simultáneamente, dos procedimientos físicos diferentes para obtener imágenes del cerebro de una persona: la tomografía electrón-positrón y la tomografía de resonancia magnética.

El cultivo de un cristal perfilado según el método de Stepanov se realizó usando un crisol de iridio con un formador de iridio de una sección transversal de 3x3 mm en su borde externo, que define la sección transversal del cristal cultivado. El traslado de la masa fundida del crisol se realizó a lo largo de un tubo capilar central de 0,9 mm de diámetro, por efecto de capilaridad. Por ejemplo, para obtener un cristal de ortosilicato de lutecio-gadolinio-cerio con efecto de guía de ondas de enfoque, se usó una materia prima de fusión con la composición Lu_{1,672}Gd_{0,298}Ce_{0,0036}SiO_{5}, según la metodología siguiente. Reactivos de origen: se mezcló minuciosamente óxido de lutecio, óxido de gadolinio y óxido de silicio, que fueron prensados para formar unas pastillas que se sintetizaron en un crisol de platino durante 10 horas, a 1200°C. Seguidamente, y mediante calor por inducción, las pastillas se fundieron en un crisol de iridio, dentro de una cámara sellada y en una atmósfera de nitrógeno (100% en volumen de N_{2}). Se agregó óxido de cerio a la masa fundida, antes del cultivo. Ésta aumentó de uno a cuatro cristales perfilados, simultáneamente. El cristal de Lu_{2}SiO_{5} fue decapado y cortado en la dirección cristalográfica (001), es decir, a lo largo del eje de la indicatriz óptica, que presenta el mayor índice de refracción ng. Los cristales perfilados fueron extraídos de la masa fundida por tracción, a una velocidad de 4 a 15 mm/hora, sin rotación. El cultivo de un cristal perfilado a una velocidad superior a 20 mm/hora produce un cristal con una composición permanente a lo largo de la sección transversal de la barra. Cuando los cristales hubieron alcanzado una longitud de 50 a 90 mm, se desgarraron del formador aplicando un brusco aumento de la velocidad de arrastre. Los cristales perfilados cultivados fueron enfriados durante 12 horas, hasta la temperatura ambiente.

Las barras cristalinas perfiladas fueron cortadas, formándose varios elementos centelleantes de un tamaño de 3x3x15 mm. Se usó una muestra con seis superficies pulidas mecánicamente para determinar la composición mediante microanálisis electrónico (Cameca Camebax SX-50, a 20 kV, 50 A, con un haz de 10 micrómetros de diámetro). En un cristal perfilado, cultivado a una velocidad de arrastre de 4 mm/hora, el centro de la barra cristalina tenía una composición de Lu_{1,78}Gd_{0,202}Ce_{0,0015}SiO_{5}, y las superficies laterales tenían una composición del orden de Lu_{1,57-1,60}Gd_{0,30-0,0045}SiO_{5}. La gradiente del índice de refracción a lo largo de la sección transversal del cristal se determinó mediante un esquema de interferencia: n_{1}-n_{2} = 0,006, en la que n_{1} es un índice de refracción en el centro del cristal y n_{2} es un índice de refracción en la periferia del cristal. La presencia de una gradiente del índice de refracción produce un enfoque a lo largo del eje del elemento de centelleo de guía de ondas de todos los haces de la radiación de centelleo gracias a una total reflexión interna si el ángulo entre el eje óptico y la dirección de la radiación de centelleo es menor que el ángulo _{máx.}, calculado según la fórmula siguiente "Reference book on laser technique". Traducción del alemán, B.N. Belousov, Moscú, "Energoizdat", pág. 395// Wissensspreicher Lasertechnik/Witolf Brunner, Klaus Junge/VEB Fachbucherverlag Leipzig, 1987.

(8)sen _{máx.} = n^{2}k -n^{2}m

en la que n_{m} es el índice de refracción del revestimiento (periferia) y n_{k} es el índice de refracción del núcleo de la guía de ondas óptica.

Para un elemento centelleante con un valor de gradiente del índice de refracción a lo largo de la sección transversal del cristal igual a n_{1}-n_{2} = 0,006, se produce una reflexión interna total de todos los haces centelleantes siempre que su ángulo de amplitud sea inferior al ángulo _{max.} = 8,4 grados. Cabe mencionar que una reflexión interna total de los haces centelleantes, en dirección de < _{max.}, se produce con independencia del hecho de que la superficie lateral del elemento centelleante esté o no pulida. En el caso de los elementos centelleantes ampliamente utilizados en tomografía informática, con una sección transversal de 2x2 mm o 3x3 mm, una longitud de 15 a 20 mm y un ángulo de reflexión interna total _{max.} = 8,4 grados, se producen dos a tres reflexiones internas totales de los haces centelleantes antes de abandonar el elemento (figura 2).

Claims

1. Material centelleante basado en un cristal de silicato que incluye lutecio (Lu) y cerio (Ce), caracterizado porque la composición del cristal está representada por la fórmula química

Lu_{1-y}Me_{y}A_{1-x}Ce_{x}SiO_{5},

en la que A es Lu y al menos un elemento seleccionado del grupo compuesto por Gd, Se, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm e Yb,

Me es al menos un elemento seleccionado del grupo compuesto por Ti, Zr, Sn, Hf, As, V, Nb, Sb, Ta, Mo y W,

x es un valor entre 1x10^{-4}f.u. y 0,2f.u.

y es un valor entre 1x10^{-5}f.u. y 0,05f.u.

2. Material centelleante basado en un cristal de silicato que incluye lutecio (Lu) y cerio (Ce), caracterizado porque contiene vacuidades de oxígeno en una cantidad no superior a 0,2f.u., y su composición química está representada por la fórmula

Lu_{1-y}Me_{y}A_{1-x}Ce_{x}SiO_{5-x}O_{5},

Me es al menos un elemento seleccionado del grupo compuesto por H, Li, Be, B, C, N, Na, Mg, Al, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Sc, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Hf, To, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ti, Pb, Bi, U y Th,

x es un valor entre 1x10^{-4}f.u. y 0,2f.u.

y es un valor entre 1x10^{-5}f.u. y 0,05f.u.

i es un valor entre 1x10^{-5}f.u. y 0,2f.u.

3. Material centelleante basado en un cristal de silicato que incluye cerio (Ce), caracterizado porque contiene flúor (F) y su composición está representada por la fórmula química

A_{2-x-Y}Me_{Y}Ce_{x}SiO_{5-i}F_{i},

en la que A es al menos un elemento seleccionado del grupo compuesto por Lu, Gd, Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm e Yb,

Me es al menos un elemento seleccionado del grupo compuesto por H, Li, Be, B, C, N, Na, Mg, Al, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ti, Pb, Bi, U y Th,

x es un valor entre 1x10^{-4}f.u. y 0, 2f.u.

y es un valor entre 1x10^{-5}f.u. y 0,05f.u.

i es un valor entre 1x10^{-4}f.u. y 0,02f.u.

4. Material centelleante según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque el contenido de los iones de Ce^{3+} está en el intervalo de 0,0005f.u. a 0,1f.u.

5. El elemento de guía de ondas fabricado de material centelleante según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3 ó 4, el cual se fabrica con un material centelleante que tiene una gradiente del índice de refracción a lo largo de su sección transversal que proporciona un exceso del índice de refracción de la parte central sobre el índice de refracción de la parte periférica.

6. El elemento de guía de ondas de la reivindicación 5, caracterizado porque su superficie lateral ha sido pulida químicamente.