ES2863991T3 - Método de fabricación de interfaces granate y artículos que contengan los granates obtenidos del mismo - Google Patents

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Mark S Andreaco
Peter Carl Cohen
Robert A Mintzer
Matthias J Schmand
Harry Hedler
Christof Thalhammer
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Abstract

Un método que comprende: disponer en un molde un polvo que tiene una composición para fabricar un material de centelleo; y la compresión del polvo para formar el material de centelleo; donde una superficie de salida del material de centelleo tiene una textura que comprende una pluralidad de proyecciones que reducen la reflexión interna total en la superficie de salida y que aumentan la cantidad de fotones que salen de la superficie de salida en una cantidad mayor o igual al 5% sobre una superficie que no tiene las proyecciones, donde el material de centelleo tiene una composición de fórmula (1), **(Ver fórmula)** donde O representa oxígeno, M1, M2, M3 y M4 representan un primer, segundo, tercer y cuarto metal que son diferentes entre sí, la suma de a + b + c + d es 8, dónde "a" tiene un valor de 2 a 3.5, "b" tiene un valor de 0 a 5, "c" tiene un valor de 0 a 5, "d" tiene un valor de 0 a 1, donde "b" y "c", "b" y "d" o "c" y "d" no pueden ser ambos iguales a cero simultáneamente, M1 es. elemento de tierras raras que incluye pero no se limita a gadolinio, itrio, lutecio, escandio, o una combinación de los mismos, M2 es aluminio o boro, M3 es galio, y M4 es un codopante y comprende uno de talio, cobre, plata, plomo, bismuto, indio, estaño, antimonio, tantalio, tungsteno, estroncio, bario, boro, magnesio, calcio, cerio, itrio, escandio, lantano, lutecio, praseodimio, terbio, iterbio, samario, europio, holmio, disprosio, erbio, tulio o neodimio, donde las proyecciones incluyen proyecciones hacia afuera, proyecciones hacia adentro o una combinación de las mismas, donde las proyecciones comprenden objetos geométricos que tienen un lado que está inclinado hacia la superficie de salida en un ángulo de 30 a 60 grados, donde los objetos geométricos tienen al menos una dimensión de 50 a 700 nanómetros de tamaño y/o donde los objetos geométricos son pirámides, conos, hemisferios, elipsoides, pirámides truncadas, fullerenos, conos truncados, hemisferios truncados, elipsoides truncados, esferas truncadas, fullerenos truncados, o una combinación de los mismos, donde una periodicidad entre objetos geométricos es de 300 nanómetros a 1000 micrómetros, donde la compresión del polvo incluye compresión uniaxial o compresión isostática.

Description

DESCRIPCIÓN
Método de fabricación de interfaces granate y artículos que contengan los granates obtenidos del mismo
Antecedentes
Esta divulgación se refiere a un método de fabricación de interfaces granate y a los artículos que contienen los granates obtenidos a partir de los mismos.
Un detector de centelleo o contador de centelleo se obtiene cuando un material de centelleo se acopla a un sensor de luz electrónico tal como un tubo (PMT) fotomultiplicador, fotodiodo, fotomultiplicador de silicio y similares. Los tubos fotomultiplicadores absorben la luz emitida por el material de centelleo y la convierten en una corriente de electrones mediante el efecto fotoeléctrico. La posterior multiplicación de esos electrones (a veces llamados fotoelectrones) da como resultado un pulso eléctrico que luego puede ser analizado y que produce información significativa sobre la partícula que originalmente golpeó el material de centelleo. Un centelleo es un material que produce luz cuando es excitado por radiación ionizante. Los materiales luminiscentes cuando son golpeados por una partícula entrante absorben su energía y centellean (es decir, vuelven a emitir la energía absorbida en forma de luz).
Una característica útil de un material de centelleo es la cantidad de luz producida en un proceso de centelleo, que puede medirse como un número de fotones de centelleo producidos por la absorción de 1 MeV de energía de una partícula ionizante. Solo una pequeña fracción de los fotones de centelleo producidos en un evento de centelleo llega al detector. Un número sustancial de fotones de centelleo se pierde por absorción o por pérdidas en las interfaces ópticas en el módulo detector.
Una de las maneras de mejorar la eficiencia de la captación de luz es mejorar la claridad óptica del material de centelleo mediante la mejora de la uniformidad del cristal. Esto resulta en la absorción reducida de fotones de centelleo y propiedades de transferencia de fotones del material. Otro método es cambiar la distribución de salida angular (la distribución de los ángulos de salida) en la que los fotones salen de la superficie del material de centelleo.
En las aplicaciones de temporización, es deseable minimizar el número de reflexiones que ocurren en la superficie de salida del material de centelleo y así reducir la dispersión de los tiempos de llegada de los fotones al sensor de luz. Esto se logra modificando la superficie de salida del material de centelleo formando una microestructura de ranuras bien definidas. Mediante el uso de estas ranuras es posible ampliar el rango de ángulos de aceptación de los fotones incidentes que se propagan a la salida del de centelleo. La Figura 1 representa una manera de disponer ranuras en la superficie de salida del de centelleo para reducir el número de fotones que se reflejan desde la interfaz debido a la reflexión interna total. La Figura 1 muestra un bloque de pegamento 106 dispuesto sobre una superficie de salida de un cristal 102 de centelleo de ortosilicato de lutecio (LSO). También dispuestos en la superficie de salida del material 102 de centelleo están las micro-texturas (es decir, ranuras) en forma de una matriz de pirámides 104. La presencia de las pirámides reduce la cantidad de reflexión interna total que se habría producido si la superficie de salida del material 102 de centelleo fuera plana.
El efecto causado por la presencia de las pirámides en la superficie de salida del material de centelleo puede ser demostrado mediante el uso de simulaciones de seguimiento de rayos del de centelleo 102 con y sin las pirámides 104 como se muestra en la Figura 2(A) y la Figura 2(B) respectivamente. La Figura 2(A) representa el de centelleo 102 con una superficie de salida plana. Debido a esta superficie de salida plana, algunos de los fotones que infringen en la superficie en un ángulo que es mayor o igual al ángulo crítico se reflejan completamente en la interfaz de vuelta al material 102 de centelleo.
La Figura 2(B) representa una superficie de material 102 de centelleo que está texturizada con pirámides 104. Las pirámides 104 permiten que un mayor porcentaje de fotones, que tienen una distribución de ángulos incidentes afectados por la forma del de centelleo 102 y cualquier elemento óptico circundante, pasen a través de la interfaz porque inciden sobre la interfaz en ángulos que son menores que el ángulo crítico.
Se puede utilizar una variedad de métodos para fabricar la superficie de salida texturizada del material de centelleo, tales como, por ejemplo, pulido mecánico, corte por láser, grabado químico o incluso uniendo estructuras adicionales con un índice de refracción que se asemeja mucho al del de centelleo. El último método es particularmente difícil debido al hecho de que la mayoría de los materiales de centelleo usados para aplicaciones de alta energía tienen índices de refracción relativamente altos en comparación con la mayoría de los adhesivos ópticos usados como agentes de acoplamiento óptico. En este caso, se producen pérdidas por reflexión de la luz en la interfaz óptica, donde se pierde un número significativo de fotones de centelleo. Además, la creación de dicha estructura en las superficies de los materiales de centelleo mediante métodos como el pulido mecánico, el corte por láser o el grabado químico produce otro problema. Las altas tensiones generadas durante la fabricación de la superficie del material de centelleo dan como resultado grietas o craqueos de la superficie del cristal. Por lo tanto, es deseable desarrollar métodos para producir materiales de centelleo con superficies texturizadas (que se puedan utilizar para preservar los fotones incidentes) y que no se degraden con el tiempo.
Resumen
Aquí se divulga un método que incluye la eliminación en un molde de un polvo que tiene una composición para la fabricación de un un material de centelleo y la compresión del polvo para formar el material de centelleo; donde una superficie de salida del material de centelleo tiene una textura que comprende una pluralidad de proyecciones que reducen la reflexión interna total en la superficie de salida y que aumentan la cantidad de fotones que salen de la superficie de salida por una cantidad mayor o igual al 5% sobre una superficie que no tiene las proyecciones.
Aquí se divulga un método que comprende la disposición en una superficie de salida de un material de centelleo de un objeto geométrico por fabricación aditiva; donde la fabricación aditiva comprende añadir capas sucesivas de un material de centelleo para formar el objeto geométrico; y
donde los objetos geométricos reducen la reflexión interna total en la superficie de salida y aumentan la cantidad de fotones que salen de la superficie de salida en una cantidad mayor o igual al 5% sobre una superficie que no tiene el objeto geométrico.
Aquí se divulga un artículo que comprende un material de centelleo que tiene una superficie de salida texturizada fabricada mediante un método que comprende la disposición en un molde de un polvo que tiene una composición para fabricar el material de centelleo; y la compresión del polvo para formar el material de centelleo; donde una superficie de salida del material de centelleo tiene una textura que comprende una pluralidad de proyecciones que reducen la reflexión interna total en la superficie de salida y que aumentan la cantidad de fotones que salen de la superficie de salida en una cantidad mayor que o igual al 5% sobre una superficie que no tiene las proyecciones.
Breve descripción de las Figuras
La Figura 1 representa una manera de disponer ranuras en la superficie de salida del de centelleo para reducir el número de fotones que se reflejan de vuelta desde la interfaz debido a la reflexión interna total;
La Figura 2(A) representa un centelleo que tiene una superficie de salida plana y las reflexiónes de los fotones de vuelta al material de centelleo debido a la reflexión interna total;
La Figura 2(B) representa un material de centelleo con una superficie texturizada que permite una mayor eficacia de extracción de fotones debido a la reducción de la reflexión interna total;
La Figura 3(A) muestra una pluralidad de pirámides dispuestas en una superficie de salida del material de centelleo; La Figura 3(B) muestra una pluralidad de elipsoides dispuestos en una superficie de salida del material de centelleo; La Figura 3(C) muestra una pluralidad de hemisferios dispuestos en una superficie de salida del material de centelleo;
La Figura 3(D) muestra una pluralidad de pirámides truncadas dispuestas en una superficie de salida del material de centelleo;
La Figura 4(A) muestra cómo se mide el ángulo a cuando el objeto geométrico es una pirámide;
La Figura 4(B) muestra cómo se mide el ángulo a cuando el objeto geométrico es un elipsoide 105;
La Figura 5 muestra una realización donde el texturizado incluye disponer una pluralidad de pirámides sobre una superficie de salida del material de centelleo;
La Figura 6 es un gráfico que muestra que el rendimiento de luz de ganancia se incremente hasta en un 27% cuando el ancho varía de 100 a 500 micrómetros;
La Figura 7 muestra una superficie donde la textura comprende una pluralidad de pirámides truncadas; y
La Figura 8 es un gráfico que muestra el rendimiento de luz de la superficie de la textura de la Figura 7.
Descripción detallada
Se divulga en el presente documento un método para fabricar materiales de centelleo que tienen superficies de salida texturizadas. Los materiales de centelleo con superficies de salida texturizadas se fabrican en un proceso que permite el crecimiento del límite de grano durante el proceso de fabricación. Más específicamente, los polvos que tienen una formulación con la estequiometría definida para producir un material de centelleo deseado se someten a compresión con recocido simultáneo para facilitar el crecimiento del límite de grano durante el proceso. El crecimiento del límite de grano durante el proceso de fabricación reduce las tensiones que provocan grietas o craqueos de la superficie del cristal. Los materiales de centelleo pueden ser monocristales, policristalinos o comprender una combinación de los mismos. Pueden fabricarse a partir de cerámica, pero no se limitan a ellos.
En una realización, el método comprende la compresión de un polvo (que tiene la estequiometría deseada) en un molde que tiene superficies internas diseñadas para producir la superficie texturizada deseada en el material de centelleo. En una realización, el molde tiene una superficie interna con una textura que es opuesta a la textura deseada en las superficies de salida del cristal. Cuando el polvo se somete a compresión en el molde, la textura deseada se transfiere a la superficie del cristal. El método comprende prensar un polvo que tiene una composición de centelleo para producir un material de centelleo que tiene una superficie de salida texturizada. La superficie de salida texturizada comprende una pluralidad de proyecciones hacia afuera o hacia adentro (en adelante "objetos geométricos") que reducen la reflexión interna total en la superficie de salida y que aumentan la cantidad de fotones que salen de la superficie de salida en una cantidad mayor o igual al 5% sobre una superficie que no tiene las proyecciones hacia afuera.
Los procesos de crecimiento de los límites del grano son impulsados únicamente por la curvatura local de los límites del grano. La reducción de la cantidad total de área de superficie límite del grano corresponde a la tendencia del sistema a minimizar la energía libre total del sistema. El proceso de crecimiento de los límites del grano para reducir la energía de la superficie libre puede iniciarse aplicando fuerzas elásticas o tensiones o gradientes de temperatura en el volumen del polvo durante su compresión en el molde. La tasa de crecimiento del límite del grano es proporcional a la cantidad total de energía libre en el límite del grano (también denominada a veces energía del límite del grano). En una realización, el proceso se puede aplicar a materiales cerámicos sinterizados sin aplicar una presión, comúnmente conocido como proceso de sinterización sin presión. Por tanto, el paso de compresión puede ser opcional.
El método comprende disponer un polvo que tiene la estequiometría deseada en un molde y la compresión del polvo a una temperatura eficaz para promover el crecimiento de los límites del grano. Los polvos tienen una composición que al someterse a compresión producirá los materiales de centelleo deseados con las superficies texturizadas. La composición en polvo puede ser una de las representadas por las fórmulas que se detallan a continuación.
En algunas realizaciones, la composición en polvo puede comprender gadolinio y galio que tiene la fórmula (1):
Figure imgf000004_0001
donde O representa oxígeno, M1, M2, M3 y M4 representan un primer, segundo, tercer y cuarto metal que son diferentes entre sí, donde la suma de a b c d es 8, donde "a" tiene un valor de 2.4 a 3.2, "b" tiene un valor de 2 a 3, y más preferiblemente alrededor de 2.1 a alrededor de 2.5, donde "b" y "c", "b" y "d", o "c" y "d "no pueden ser ambos iguales a cero simultáneamente, donde" c "tiene un valor de 1 a 4," d "tiene un valor de 0.001 a 0.5.
En una realización, M1 es un elemento de tierras raras que incluye, pero no se limita a, gadolinio, itrio, lutecio, escandio o una combinación de los mismos. M1 es gadolinio. M2 es aluminio o boro, M3 es galio y M4 es un codopante y comprende uno o más de talio, cobre, plata, plomo, bismuto, indio, estaño, antimonio, tantalio, tungsteno, estroncio, bario, boro, magnesio, calcio, cerio, itrio, escandio, lantano, lutecio, praseodimio, terbio, iterbio, samario, europio, holmio, disprosio, erbio, tulio o neodimio.
Para M1, algo del galio se puede sustituir con uno o más de itrio, gadolinio, lutecio, lantano, terbio, praseodimio, neodimio, cerio, samario, europio, disprosio, holmio, erbio, iterbio o combinaciones de los mismos. En una forma de realización, algo de galio se puede sustituir por itrio. M3 es aluminio.
En una realización, el codopante M4 incluye TI+, Cu+, Ag+, Au+, Pb2+, Bi3+, In+, Sn2+, Sb3+, Ce3+, Pr3+, Eu2+, Yb2+, Nb5+, Ta5+, W6+, Sr2+, B3+, Ba2+, Mg2+ , Ca2+ o combinaciones de los mismos.
Algunos ejemplos de cristales policristalinos o individuales cultivados usando la composición de fórmula (1) por este método son (GAGG- granate de gadolinio-aluminio-galio), (GGAG - granate de gadolinio-galio-aluminio), (GYGAG -granate de gadolinio- itrio-galio-aluminio), (GSGG - granate de gadolinio-escandio-galio), (GYAG-granate de gadolinioitrio-aluminio), (GSAG - granate de gadolinio-escandio-aluminio), (GGG - granate de gadolinio-galio), (GYSAG -granate gadolinio-itrio-escandio-aluminio) o GLAGG - granate de gadolinio-lutecio-aluminio-galio). Cada uno de los cristales policristalinos o individuales representados por las fórmulas antes mencionadas puede ser codopado conjuntamente con cerio o praseodimio si se desea.
Otra composición que puede usarse para fabricar la superficie texturizada incluye yoduros que tienen las fórmulas (2), (3) o (4)
A S r ^ E u ^ (2)
Figure imgf000004_0002
donde A consiste esencialmente en cualquier elemento de metal alcalino tal como litio, sodio, potasio, rubidio, cesio o una combinación de los mismos, y donde 0^x^1, preferiblemente 0.05^x^0.995 y más preferiblemente 0.1^x^0.9. En algunas realizaciones, las composiciones de ejemplo incluyen CsSn-xEuxb, Cs3Sn-xEuxb y CsSr2(1-x)Eu2xb. Las composiciones de ejemplo incluyen CsSr0.9-0.99Eu0.01-0.10I3 y CsEub .
En algunas otras realizaciones, otra composición que se puede usar para fabricar la superficie texturizada incluye bromuros o haluros que tienen las fórmulas (5) o (6)
A3MeBr6(1.xjCI0Xl (5);
o
Figure imgf000005_0001
( 6 )
donde 0^x^1 ; preferiblemente 0.05^x^0.995 y más preferiblemente 0.1^x^0.9; en donde A es Li, Na, K, Rb o una combinación de los mismos; y en en donde M6 es cerio, escandio, itrio, lantano, lutecio, gadolinio, praseodimio, terbio, iterbio, neodimio o una combinación de los mismos.
En otras realizaciones, las composiciones que se utilizan para fabricar la superficie texturizada son ortosilicatos de lutecio (LSO) que tienen la fórmula (7)
M72,Lu2(1.,)S¡05 (7)
donde M7 es cerio, escandio, itrio, lantano, lutecio, gadolinio, praseodimio, terbio, iterbio, neodimio o una combinación de los mismos, cerio; donde x es de 0.001 a 0.1, preferiblemente de 0.005 a 0.015. Un ejemplo de composición de LSO es Ce:Lu2SiO5.
Los polvos usados para fabricar los materiales de centelleo comprenden partículas que tienen un tamaño de partícula promedio que varía de 2 nanómetros a 500 micrómetros, preferiblemente de 5 nanómetros a 50 nanómetros. El radio de giro de las partículas se mide para determinar el tamaño de partícula promedio. Se puede utilizar microscopía electrónica o de dispersión de luz para determinar el tamaño de partícula.
Los polvos se pueden pulverizar adicionalmente en un molino de bolas, un molino de rodillos u otro dispositivo pulverizador. Los polvos pulverizados pueden someterse entonces a un proceso de tamizado opcional si se desea utilizar partículas de un tamaño particular. Las partículas de polvo se pueden fabricar utilizando métodos de pirólisis (FSP) de llama por pulverización, pirólisis (FSAP) asistida por pulverización de llama o mediante el uso de una variedad de métodos de síntesis de "química húmeda", incluidos los métodos basados en síntesis de sol-gel.
Los polvos deseados pueden disponerse en un molde (también denominado matriz) y someterse a prensado isostático (también denominado prensado hidrostático o prensado isostático en caliente) o compresión uniaxial. El prensado isostático se puede realizar a temperatura ambiente (23°C) o a temperaturas elevadas. En el prensado isostático, se puede utilizar un gas inerte tal como el argón para aplicar presión a los polvos contenidos en el molde, de modo que el polvo no reaccione químicamente con el gas o consigo mismo. El molde se calienta opcionalmente, lo que hace que aumente la presión dentro del molde. Muchos sistemas utilizan el bombeo de gas asociado para alcanzar el nivel de presión deseado. Se aplica presión al material desde todas las direcciones (de ahí el término "isostático").
El gas inerte se aplica isostáticamente (también denominado hidrostáticamente) a una presión de 7.350 psi (1 MPa) y 45.000 psi (500 MPa), preferiblemente 10.000 psi (66 MPa) a 30.000 psi (195 MPa). En algunas realizaciones, la temperatura durante el prensado puede ser la temperatura ambiente. En otra realización, temperaturas elevadas de 900°F (482°C) a 3992°F (2200°C), preferiblemente 1472°F (800°C) a 3962°F (2000°C) y más preferiblemente 1650°F (900°C) a 1750°F (3182°C) se pueden utilizar durante la aplicación de presión isostática o uniaxial.
El recocido se realiza mediante transferencia de calor por convección o conducción. En una realización, el calentamiento radiativo (por ejemplo, calentamiento por radiofrecuencia, calentamiento por microondas o calentamiento por infrarrojos) se puede realizar de forma simultánea o secuencial con el calentamiento por convección o conducción. En una realización, el calentamiento se realiza por conducción o una combinación de conducción y convección mientras la muestra todavía está en la prensa y bajo presión.
El calentamiento y prensado de la composición se pueden realizar simultánea o secuencial. En una realización, el calentamiento y el prensado de la composición se pueden realizar simultáneamente. La aplicación simultánea de calor y presión elimina los huecos internos y la microporosidad a través de una combinación de deformación plástica, fluencia, crecimiento del límite de grano y unión por difusión. El proceso mejora la resistencia a la fatiga del componente y reduce el agrietamiento y las grietas durante el uso.
En la compresión uniaxial, se pueden utilizar las presiones y temperaturas definidas anteriormente para la compresión isostática. Sin embargo, la presión de compresión se aplica solo en dos direcciones mutuamente opuestas para producir el material de centelleo. En la compresión uniaxial, se puede aplicar presión al polvo contenido en el molde utilizando arietes opuestos con un pequeño espacio libre de las paredes del molde. El espacio libre de la pared se utiliza para evitar que los arietes se atasquen en el molde. El espacio libre de la pared depende del tamaño de partícula del polvo y se puede variar dependiendo de los tamaños de la partícula. Cuanto mayor sea el tamaño de partícula, mayor será el espacio libre de la cavidad de la pared.
En algunas realizaciones, se puede usar un aglutinante o lubricante junto con el polvo durante la operación de prensado. El lubricante facilita la movilidad de los arietes en el molde durante la compresión. Se puede usar un aglutinante para unir las partículas y evitar la pérdida de partículas durante la operación de prensado.
El texturizado puede comprender una variedad de objetos geométricos diferentes sobre una superficie de salida del material de centelleo. El texturizado puede incluir proyecciones hacia afuera o proyecciones hacia adentro. Una proyección hacia afuera puede incluir disponer un objeto geométrico sobre una superficie de salida del material de centelleo. Una proyección hacia adentro puede incluir cortar el objeto geométrico del material de centelleo en su superficie de salida. Por tanto, la proyección hacia adentro incluiría un vaciado del material de centelleo para acomodar el objeto geométrico. Se utilizan combinaciones de proyecciones hacia adentro y hacia afuera. En una realización, el texturizado puede comprender objetos geométricos que son cristales fotónicos. Un cristal fotónico es una nanoestructura óptica periódica que afecta el movimiento de los fotones de la misma manera que las redes iónicas afectan el movimiento de los electrones en los sólidos.
Las geometrías son geometrías tridimensionales con la base del objeto geométrico dispuesta de tal manera que entre en contacto con la superficie de salida del material de centelleo. La geometría (del objeto geométrico) elegida debe ser una donde un fotón entre en contacto con la superficie de salida del objeto geométrico en un ángulo menor que el ángulo crítico. Las geometrías incluyen pirámides, conos, hemisferios, elipsoides, pirámides truncadas, buckyesferas (fullerenos), conos truncados, hemisferios truncados, elipsoides truncados, esferas truncadas, fullerenos truncados o similares, o una combinación de los mismos. Se pueden utilizar combinaciones de formas, como un fullereno montado sobre una pirámide truncada, una esfera montada sobre una sección cónica, etc. También se pueden utilizar estructuras jerárquicas. Por ejemplo, un hemisferio dispuesto en otro hemisferio se usa para formar la textura. En una realización de ejemplo, el objeto geométrico dispuesto en la superficie de salida del material de centelleo es una pirámide.
La Figura 3(A) muestra una pluralidad de pirámides 104 dispuestas sobre una superficie de salida del material de centelleo. La Figura 3(B) muestra una pluralidad de elipsoides 105 dispuestos sobre una superficie de salida del material de centelleo. La Figura 3(C) muestra una pluralidad de hemisferios 107 dispuestos sobre una superficie de salida del material de centelleo. La Figura 3(D) muestra una pluralidad de pirámides 109 truncadas dispuestas sobre una superficie de salida del material de centelleo. Aunque la Figura 3(D) muestra la superficie truncada como paralela a la superficie de salida del material de centelleo, puede ser no paralela si así se desea.
El ángulo de contacto entre un lado del objeto geométrico y la superficie de salida determina la eficiencia de la extracción de fotones. La Figura 4(A) muestra cómo se mide el ángulo cuando el objeto geométrico es una proyección hacia afuera como, por ejemplo, una pirámide 104. En la Figura 4(A), el ángulo a entre un lado de la pirámide 104 y la superficie de salida del material 102 de centelleo se utiliza como medida de la eficacia de extracción. Este enfoque se puede utilizar para otros objetos geométricos, tal como pirámides truncadas, conos, secciones cónicas o similares.
En la Figura 4(B), hay dos objetos geométricos - un objeto geométrico que se proyecta hacia afuera (un elipsoide 105) y un objeto geométrico que se proyecta hacia adentro (una cuña 111). El objeto geométrico que se proyecta hacia afuera es un elipsoide 105. El ángulo a entre una tangente a una superficie del elipsoide en el punto de contacto de un borde del elipsoide con la superficie de salida del material de centelleo se usa como una medida de la eficiencia de extracción. Este enfoque se puede utilizar para otros objetos geométricos tales como hemisferios, fullerenos, fullerenos truncados o similares.
Para el objeto geométrico que se proyecta hacia adentro en la Figura 4(B), el ángulo a entre una tangente a una superficie de la cuña 111 en el punto de contacto de un borde de la cuña 111 con la superficie de salida del material de centelleo se utiliza como medida de la eficiencia de extracción.
El ángulo a es menor que el ángulo crítico para el material de centelleo. En una realización, el ángulo a puede variar de 25 a 60 grados, preferiblemente de 30 a 55 grados y más preferiblemente de 35 a 45 grados para proyecciones hacia afuera. Cabe señalar que para las proyecciones hacia adentro, el a puede ser mayor de 90 grados y puede variar de 25 a 135 grados, preferiblemente de 65 a 130 grados y más preferiblemente de 95 a 125 grados. La Tabla 1 a continuación muestra cómo varía la eficiencia de extracción de fotones con el ángulo a en un centelleo que tiene superficies texturizadas. Los valores mostrados en la Tabla 1 fueron el resultado de un estudio de simulación.
Tabla 1
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La simulación muestra que se pueden extraer con éxito cantidades significativamente mayores de fotones que se acercan a la interfaz sin sufrir múltiples reflexiones internas. Los cálculos que utilizan LSO indican un aumento en el rendimiento de luz del 17% para a que tiene un valor de 40 grados sobre aquellas superficies donde a tiene un valor de 0 grados. De los datos anteriores, se puede ver que al disponer los objetos geométricos en la superficie de salida del material de centelleo, la eficiencia de extracción de fotones se incrementa en una cantidad superior al 5%, preferiblemente del 5 al 25%, preferiblemente del 8 al 22% y más preferiblemente del 10 al 20%.
En una realización, cada objeto geométrico dispuesto en la superficie de salida del material de centelleo tiene dimensiones que son del orden de la longitud de onda de la luz (es decir, están en el rango dimensional de micrómetros y nanómetros). En una realización, las dimensiones (como el ancho (s) y la altura de una pirámide o el radio de una esfera o el eje pequeño y grande de un elipsoide) del objeto geométrico son de 50 nanómetros a 700 nanómetros, preferiblemente de 100 a 600 nanómetros y más preferiblemente de 300 a 500 nanómetros. La periodicidad entre objetos geométricos puede ser de 50 nanómetros a 1000 micrómetros, preferiblemente 400 nanómetros a 500 micrómetros.
En una realización, el texturizado se puede agregar usando fabricación aditiva (impresión 3D) donde los objetos geométricos se agregan a la superficie del de centelleo bajo control de ordenador. En la fabricación 3D, se forman capas sucesivas de material bajo control del ordenador para formar un objeto de la geometría deseada. En particular, la fabricación aditiva comprende añadir capas sucesivas de un material de centelleo para formar el objeto geométrico. Todo el objeto (el material de centelleo con los objetos geométricos añadidos) puede someterse a un recocido opcional a las temperaturas adecuadas para facilitar el crecimiento del grano si se desea.
El método aquí divulgado para fabricar el material de centelleo tiene varias ventajas. El texturizado se puede disponer sobre el material de centelleo para mejorar la eficiencia de extracción de fotones sin causar craqueos o grietas. Se reduce o eliminan los huecos internos y la microporosidad a través de la deformación plástica, la fluencia y el crecimiento del límite de grano. El proceso mejora la resistencia a la fatiga del componente. Los materiales de centelleo que se fabrican aquí pueden utilizarse en artículos y dispositivos de formación de imágenes tales como, por ejemplo, tomografía por emisión de positrones, una tomografía computarizada o máquinas de tomografía computarizada por emisión de fotón único.
El material de centelleo y el método aquí divulgado son ejemplificados mediante el siguiente ejemplo no limitante.
Ejemplo
Este ejemplo muestra cómo aumenta la eficiencia de extracción con la optimización de las dimensiones en una pluralidad de objetos geométricos dispuestos en una superficie de salida del cristal. La Figura 5 muestra una realización donde el texturizado incluye disponer una pluralidad de pirámides sobre una superficie de salida del material de centelleo. Los anchos de la base de la pirámide se variaron de 100 a 500 micrómetros. El paso (periodicidad) entre pirámides se selecciona para que sea de 500 micrómetros. La Figura 6 es un gráfico que muestra que el rendimiento de la luz de ganancia se incrementa hasta en un 27% cuando se varía el ancho de 100 a 600 micrómetros.
La Figura 7 muestra una superficie donde la textura comprende pirámides truncadas. La Figura 8 es un gráfico que muestra el rendimiento de luz de la superficie de la textura de la Figura 7. De la Figura 8 se puede ver que el rendimiento de luz de ganancia se incrementa hasta en un 20% cuando el ancho de la pirámide es 600 a 1400 micrómetros.
Cabe señalar que todos los rangos detallados aquí incluyen los puntos finales. Los valores numéricos de diferentes rangos son combinables.
El término de transición que comprende abarca los términos de transición "que consiste en" y "que consiste esencialmente en".
El término "y/o" incluye tanto "y" como "o". Por ejemplo, "A y/o B" se interpreta como A, B o A y B.
Los términos "un" y "una" y "el" no indican una limitación de cantidad, y deben interpretarse para cubrir tanto el singular como el plural, a menos que se indique lo contrario aquí o que el contexto lo contradiga claramente.
La referencia a lo largo de la especificación a "algunas realizaciones", "una realización", etc., significa que un elemento particular descrito en relación con la realización está incluido en al menos una realización descrita aquí, y puede o no estar presente en otras realizaciones. Además, debe entenderse que los elementos descritos pueden combinarse de cualquier manera adecuada en las diversas realizaciones.
Aunque la invención se ha descrito con referencia a algunas realizaciones, los expertos en la técnica entenderán que pueden realizarse varios cambios y pueden sustituirse elementos de la misma por equivalentes sin apartarse del alcance de la invención. Además, se pueden realizar muchas modificaciones para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no se limite a las realizaciones particulares divulgadas como el mejor modo contemplado para llevar a cabo esta invención, sino que la invención incluirá todas las realizaciones que esten dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un método que comprende:
disponer en un molde un polvo que tiene una composición para fabricar un material de centelleo; y
la compresión del polvo para formar el material de centelleo; donde una superficie de salida del material de centelleo tiene una textura que comprende una pluralidad de proyecciones que reducen la reflexión interna total en la superficie de salida y que aumentan la cantidad de fotones que salen de la superficie de salida en una cantidad mayor o igual al 5% sobre una superficie que no tiene las proyecciones,
donde el material de centelleo tiene una composición de fórmula (1),
M iaM2bM3QM4d012
donde
O representa oxígeno,
M1, M2, M3 y M4 representan un primer, segundo, tercer y cuarto metal que son diferentes entre sí, la suma de a b c d es 8, dónde
"a" tiene un valor de 2 a 3.5,
"b" tiene un valor de 0 a 5,
"c" tiene un valor de 0 a 5,
"d" tiene un valor de 0 a 1, donde "b" y "c", "b" y "d" o "c" y "d" no pueden ser ambos iguales a cero simultáneamente, M1 es. elemento de tierras raras que incluye pero no se limita a gadolinio, itrio, lutecio, escandio, o una combinación de los mismos,
M2 es aluminio o boro,
M3 es galio, y
M4 es un codopante y comprende uno de talio, cobre, plata, plomo, bismuto, indio, estaño, antimonio, tantalio, tungsteno, estroncio, bario, boro, magnesio, calcio, cerio, itrio, escandio, lantano, lutecio, praseodimio, terbio, iterbio, samario, europio, holmio, disprosio, erbio, tulio o neodimio,
donde las proyecciones incluyen proyecciones hacia afuera, proyecciones hacia adentro o una combinación de las mismas,
donde las proyecciones comprenden objetos geométricos que tienen un lado que está inclinado hacia la superficie de salida en un ángulo de 30 a 60 grados,
donde los objetos geométricos tienen al menos una dimensión de 50 a 700 nanómetros de tamaño
y/o
donde los objetos geométricos son pirámides, conos, hemisferios, elipsoides, pirámides truncadas, fullerenos, conos truncados, hemisferios truncados, elipsoides truncados, esferas truncadas, fullerenos truncados, o una combinación de los mismos,
donde una periodicidad entre objetos geométricos es de 300 nanómetros a 1000 micrómetros,
donde la compresión del polvo incluye compresión uniaxial o compresión isostática.
2. El método de la reivindicación 1, donde para M1, una porción del gadolinio puede sustituirse con uno o más de itrio, lutecio, lantano, terbio, praseodimio, neodimio, cerio, samario, europio, disprosio, holmio, erbio, iterbio, o combinaciones de los mismos, o
donde M1 es gadolinio y M2 es aluminio.
3. El método de la reivindicación 1, donde
"a" tiene un valor de 2.4 a 3.2,
"b" tiene un valor de 2 a 3,
"c" tiene un valor de 1 a 4, y
"d" tiene un valor de 0.001 a 0.5.
4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además calentar el polvo mediante conducción térmica o convección
0
que comprende además calentar el polvo mediante radiación electromagnética.
5. El método de la reivindicación 1, donde la compresión uniaxial o compresión isostática se realiza a una presión de 1 MPa a 500 MPa
o
donde la compresión uniaxial se realiza a temperatura ambiente.
6. El método de la reivindicación 4, donde el polvo se calienta a una temperatura de 480°C a 2200°C.
7. El método de la reivindicación 5, donde el crecimiento de los límites de grano se produce en el material de centelleo durante la compresión.
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