ITMI20012555A1 - HIGH EFFICIENCY LUMINESCENT GLASSES, PARTICULARLY FOR USE AS SPARKLING MATERIALS FOR THE DETECTION OF IONIZING RADIATIONS - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION
di Brevetto per Invenzione Industriale, Patent for Industrial Invention,
La presente invenzione è relativa a vetri luminescenti ad alta efficienza, particolarmente indicati per l'impiego come materiali scintillatori per la rivelazione di radiazioni ionizzanti, e al relative procedimento di realizzazione.. The present invention relates to high efficiency luminescent glasses, particularly suitable for use as scintillator materials for the detection of ionizing radiations, and to the related manufacturing process.
È noto il largo impiego, come materiali scintillatori per la rivelazione di radiazioni ionizzanti da utilizzare in numerose applicazioni sia in campo medicale (radiografie, tomografie, ecc.), sia in campo industriale (test non distruttivi, controlli di sicurezza su materiali e manufatti, ecc.), di materiali cristallini, per esempio NaI:Tl, CsI:Tl e simili: sebbene questi materiali siano caratterizzati da una elevata efficienza di luminescenza (quantità di fotoni emessi per unità di energia assorbita sotto forma di radiazioni ionizzanti), essi presentano una bassa resistenza meccanica ed una notevole igroscopicità . Altri cristalli scintillatori basati su granati o perowskiti possiedono caratteristiche meccaniche e chimiche nettamente migliori, ma presentano una inferiore efficienza e sono di difficile produzione . It is known that they are widely used as scintillator materials for the detection of ionizing radiations to be used in numerous applications both in the medical field (radiographs, tomography, etc.), and in the industrial field (non-destructive tests, safety checks on materials and artifacts, etc.), of crystalline materials, for example NaI: Tl, CsI: Tl and the like: although these materials are characterized by a high luminescence efficiency (quantity of photons emitted per unit of energy absorbed in the form of ionizing radiation), they present a low mechanical resistance and a remarkable hygroscopicity. Other scintillator crystals based on garnets or perowskites have much better mechanical and chemical characteristics, but have lower efficiency and are difficult to produce.
In alternativa ai cristalli, sono noti materiali scintillatori a matrice vetrosa prodotti tramite processi di fusione: questi materiali possono essere prodotti in modo relativamente semplice ed economico, presentano buone proprietà meccaniche e consentono l'introduzione di ioni luminescenti (tipicamente ioni di terre rare) in concentrazioni anche elevate. As an alternative to crystals, glass-matrix scintillator materials produced by melting processes are known: these materials can be produced in a relatively simple and economical way, have good mechanical properties and allow the introduction of luminescent ions (typically rare earth ions) into even high concentrations.
Tuttavia, poiché tipicamente gli elementi appartenenti al gruppo delle terre rare, come anche moiri elementi di transizione, presentano una scarsa solubilità in silice, per permettere l'incorporazione degli ioni attivi nella matrice vetrosa (e per ottenere un'adeguata concentrazione di drogante) è necessario includere grosse percentuali (indicativamente 20÷50% in peso) di modificatori di reticolo ("network modifier"), normalmente ossidi di metalli alcalini o alcalinoterrosi, fosforo, eccetera. La presenza di questi composti pregiudica alcune caratteristiche dei materiali , rendendoli difficilmente utilizzabili per alcune applicazioni (per esempio, nel settore delle fibre ottiche): oltre a ciò, la notevole concentrazione di difetti di punto (dovuta proprio alla presenza dei modificatori di reticolo nella matrice vetrosa) dà luogo ad una elevata probabilità di ricombinazioni non radiative (o radiative ma lente) fra elettroni e buche, inficiando le prestazioni ottiche del materiale. However, since typically the elements belonging to the rare earth group, as well as many transition elements, have a poor solubility in silica, to allow the incorporation of the active ions into the glass matrix (and to obtain an adequate dopant concentration) it is It is necessary to include large percentages (approximately 20 ÷ 50% by weight) of network modifiers, normally oxides of alkali or alkaline earth metals, phosphorus, etc. The presence of these compounds compromises some characteristics of the materials, making them difficult to use for some applications (for example, in the optical fiber sector): in addition to this, the considerable concentration of dot defects (due to the presence of lattice modifiers in the matrix vitreous) gives rise to a high probability of non-radiative (or radiative but slow) recombinations between electrons and holes, affecting the optical performance of the material.
È dunque uno scopo della presente invenzione quello di fornire vetri luminescenti, unitamente ad un procedimento di realizzazione di tali vetri, che consentano il superamento degli inconvenienti sopra evidenziati dell'arte nota: in particolare, è uno scopo dell'invenzione quello di fornire vetri con buone caratteristiche meccaniche, eccellenti proprietà di luminescenza (efficienza, sensibilità e velocità di risposta), elevata purezza e che siano realizzabili in modo relativamente semplice ed economico. It is therefore an object of the present invention to provide luminescent glasses, together with a process for making such glasses, which allow the above-mentioned drawbacks of the known art to be overcome: in particular, it is an object of the invention to provide glasses with good mechanical characteristics, excellent luminescence properties (efficiency, sensitivity and response speed), high purity and which can be achieved relatively easily and economically.
È un ulteriore scopo dell'invenzione quello di fornire nuovi materiali che possano essere efficacemente impiegati come vetri scintillatori per la rivelazione di radiazioni ionizzanti, ad esempio nella diagnostica medica e nei controlli industriali, e che possano essere impiegati tra l'altro in forma di fibre ottiche, facendo ricorso alle tecnologie di produzione già note nell'industria delle fibre ottiche per telecomunicazioni digitali. It is a further object of the invention to provide new materials which can be effectively used as scintillator glasses for the detection of ionizing radiations, for example in medical diagnostics and industrial controls, and which can be used, inter alia, in the form of fibers. optics, making use of production technologies already known in the optical fiber industry for digital telecommunications.
La presente invenzione è dunque relativa ad un procedimento per la realizzazione di un vetro luminescente ad alta efficienza, particolarmente per l'impiego come materiale scintillatore per la rivelazione di radiazioni ionizzanti, caratterizzato dal fatto che il detto vetro è ottenuto tramite una reazione sol-gel seguita da sinterizzazione del gel risultante da detta reazione sol-gel. The present invention therefore relates to a process for the production of a highly efficient luminescent glass, particularly for use as a scintillator material for the detection of ionizing radiations, characterized in that said glass is obtained by means of a sol-gel reaction. followed by sintering of the gel resulting from said sol-gel reaction.
In particolare, il vetro è essenzialmente composto da una matrice vetrosa di un componente base nella quale è disperso almeno un drogante avente proprietà luminescenti, ed il procedimento comprende le fasi di: - preparare un sol, disperdendo almeno un precursore del componente base in un solvente del dento precursore e aggiungendo il detto drogante; In particular, glass is essentially composed of a glass matrix of a base component in which at least one dopant having luminescent properties is dispersed, and the process comprises the steps of: - preparing a sol, dispersing at least one precursor of the base component in a solvent of the precursor tooth and adding said dopant;
- fare avvenire la reazione sol-gel, con trasformazione del detto sol in un gel; - causing the sol-gel reaction to take place, with the transformation of said sol into a gel;
- densificare, tramite rimozione del solvente, il gel e sinterizzare per ottenere il detto vetro. - densifying, by removing the solvent, the gel and sintering to obtain said glass.
È stato infatti riconosciuto, per la prima volta, che vetri ottenuti per via sol-gel (attualmente destinati ad applicazioni del tutto diverse) possono essere efficacemente e vantaggiosamente impiegati come materiali luminescenti e, in particolare, come scintillatori per la rivelazione di radiazioni ionizzanti, mostrando prestazioni inaspettate e per molti aspetti superiori ai materiali noti (per esempio vetri ottenuti da processi di fusione). It has in fact been recognized, for the first time, that glasses obtained by sol-gel (currently destined for completely different applications) can be effectively and advantageously used as luminescent materials and, in particular, as scintillators for the detection of ionizing radiations, showing unexpected performances and in many respects superior to known materials (for example glasses obtained from melting processes).
La selezione del processo di formazione della matrice vetrosa per via sol-gel (processo che finora non è mai staro applicato alla realizzazione di materiali specificamente destinati all'uso come scintillatori) consente la realizzazione di vetri di elevata purezza, adotta condizioni fisiche relativamente blande e permette una buona dispersione di elementi droganti nella matrice vetrosa. The selection of the process of formation of the vitreous matrix by sol-gel (a process that has never before been applied to the production of materials specifically intended for use as scintillators) allows the production of high-purity glasses, adopts relatively mild physical conditions and it allows a good dispersion of doping elements in the glass matrix.
In particolare, il procedimento secondo il trovato consente di ottenere vetri sostanzialmente privi di sostanze fondenti, ossidi di metalli alcalini e alcalino/terrosi e modificatori di rericolo in genere: questo riduce la presenza di difetti di punto e consente un significativo incremento delle prestazioni ottiche, sia in termini di intensità di risposta sia di andamento del decadimento temporale della risposta stessa. In particular, the method according to the invention allows to obtain glasses substantially free of melting substances, alkali and alkaline / earth metal oxides and recalculation modifiers in general: this reduces the presence of dot defects and allows a significant increase in optical performance. both in terms of response intensity and in terms of the time decay of the response itself.
I vetri secondo l'invenzione si distinguono dunque dai materiali noti, tra l'altro, per l'elevata purezza: questa caratteristica, unitamente al fatto di essere pienamente compatibili con la silice (a differenza dei vetri classici ottenuti da fusione), rende i vetri dell'invenzione pienamente integrabili con la tecnologia di produzione delle fibre ottiche (utilizzando per esempio i metodi produttivi noti come "powder in tube" o "rod in tube"). The glasses according to the invention are therefore distinguished from known materials, among other things, for their high purity: this characteristic, together with the fact that they are fully compatible with silica (unlike classic glass obtained by fusion), makes the glasses of the invention that can be fully integrated with optical fiber production technology (using for example the production methods known as "powder in tube" or "rod in tube").
I vetri secondo il trovato possiedono inoltre buona resistenza meccanica, elevata stabilità chimica e potenzialmente basso costo di produzione, aspetti che li rendono competitivi anche rispetto a scintillatori cristallini tradizionali. The glasses according to the invention also have good mechanical resistance, high chemical stability and potentially low production costs, aspects which make them competitive even with respect to traditional crystalline scintillators.
L'invenzione si estende pertanto ad un vetro luminescente ad alta efficienza, particolarmente per l'impiego come materiale scìntillatore per la rivelazione di radiazioni ionizzanti, comprendente una matrice vetrosa di un componente base nella quale è disperso almeno un drogante avente proprietà luminescenti, il vetro essendo caratterizzato dal fatto che la matrice vetrosa è costituita essenzialmente da silice o silice/germania con purezza superiore a 901 molare e preferibilmente superiore a 95% molare. The invention therefore extends to a high efficiency luminescent glass, particularly for use as a scintillator material for the detection of ionizing radiations, comprising a glass matrix of a base component in which at least one dopant having luminescent properties is dispersed, the glass being characterized in that the glass matrix is essentially constituted by silica or silica / germany with purity higher than 901 molar and preferably higher than 95% molar.
L'invenzione fornisce dunque, per la prima volta nell'arte, vetri luminescenti costituiti essenzialmente da una matrice vetrosa, di sìlice o silice/germania in qualsiasi rapporto tra loro, avente elevata purezza, vale a dire contenente una percentuale molto bassa (inferiore a 10% e preferibilmente a 5% molare) di altre sostanze, di qualsiasi tipo. The invention therefore provides, for the first time in the art, luminescent glasses essentially consisting of a vitreous matrix, of silica or silica / germany in any ratio between them, having high purity, that is to say containing a very low percentage (lower than 10% and preferably 5% molar) of other substances, of any type.
Nella matrice vetrosa ad elevata purezza sono inclusi i droganti veri e propri, aventi proprietà scintillanti, e, eventualmente, dei codroganti, vale e dire sostanze introdotte con funzione ausiliaria ai droganti: come droganti possono essere utilizzati, ad esempio, ioni attivi, preferibilmente di terre rare; i codroganti possono essere scelti, a seconda della funzione desiderata, nel gruppo delle terre rare oppure nel gruppo costituito da Li, B, Al, P, Cd. The high purity glassy matrix includes the actual dopants, having scintillating properties, and possibly co-dopants, i.e. substances introduced with auxiliary function to the dopants: as dopants, for example, active ions can be used, preferably of Rare lands; the codrogants can be selected, according to the desired function, from the rare earth group or from the group consisting of Li, B, Al, P, Cd.
Droganti ed eventuali codroganti possono essere vantaggiosamente introdotti nella fase di preparazione del sol in forma di precursori, per esempio nitrati, acetati, alogenuri, alcossidi o complessi di coordinazione più o meno facilmente idroiizzabiii: preferibilmente i precursori delle terre rare sono impiegati in soluzione idroalcolica, preventivamente preparata sciogliendo l'opportuno ammontare di precursore nel solvente alcolico, se necessario operando sotto azoto e con l'ausilio di un sonicatore. Drugs and possible co-dopants can be advantageously introduced in the sol preparation phase in the form of precursors, for example nitrates, acetates, halides, alkoxides or coordination complexes more or less easily hydroisable: preferably the rare earth precursors are used in hydroalcoholic solution, previously prepared by dissolving the appropriate amount of precursor in the alcoholic solvent, if necessary operating under nitrogen and with the aid of a sonicator.
Le principali funzioni ausiliarie svolte dai codroganti sono le seguenti: The main auxiliary functions performed by the co-authors are the following:
- "energy transfer": fenomeno noto, ad esempio, nelle coppie di elementi Er-Yb e Ce-Gd; - "energy transfer": known phenomenon, for example, in pairs of elements Er-Yb and Ce-Gd;
- per agevolare la dispersione della terra rara (ad esempio la compresenza di Al è dimostrato funzionare in tal senso con Er già in rapporti stechiometrici relativamente bassi, ad esempio con 5 moli di Al ogni mole di Er); - to facilitate the dispersion of rare earth (for example the co-presence of Al has been shown to work in this sense with Er already in relatively low stoichiometric ratios, for example with 5 moles of Al for each mol of Er);
- per operare una conversione di radiazione (ad esempio introducendo nella matrice vetrosa elementi con alta sezione d'urto di cattura di neutroni, come Li, B, Cd, si permettere la rivelazione di neutroni). - to carry out a radiation conversion (for example by introducing elements with a high neutron capture cross section, such as Li, B, Cd, into the glass matrix, allowing the detection of neutrons).
I vetri secondo il trovato si caratterizzano inoltre per il fatto di presentare temperatura di rammollimento ("softening point") superiore a 100Q°C, coefficiente di dilatazione termica (valutato tra 0÷300 C) inferiore a 2.10-6 °C<-1 >e preferibilmente inferiore a 1-10<-6 >°C<-1>, e concentrazione di difetti di punto tale da non indurre presenza di code di scintillazione nel campo dei micro-millisecondi con rilevanza superiore al 5% dell'emissione tonale. The glasses according to the invention are also characterized by the fact that they have a softening temperature ("softening point") higher than 100Q ° C, thermal expansion coefficient (evaluated between 0 ÷ 300 C) lower than 2.10-6 ° C <-1 > and preferably lower than 1-10 <-6> ° C <-1>, and a concentration of point defects such as not to induce the presence of scintillation tails in the micro-millisecond range with relevance greater than 5% of the tonal emission .
L'invenzione prevede di utilizzare come componente base della matrice vetrosa silice (SiO2) o una miscela silice/germania (SiO2/GeO2): possono essere utilizzati in qualità di precursori della silice e della germania, ad esempio, composti metallorganici del silicio, come gli esteri silicici (tetraetil-ortosilicato TEOS o tetrametil-crtosilicato TMOS), e, rispettivamente, del germanio, come germanio tetraetossido . Gli esteri silicici (TEOS o TMOS) possono anche essere sostituiti o integrati con altri composti di formula generale Si(R)x(A)y dove: x è compreso tra 0 e 3; y è compreso tra 1 e 4; la somma dei coefficienti x e y è 4; R è un generico gruppo alchiìe non idrolizzabile (anche variamente sostituito, ad esempio con sostituenti complessanti tipo alchil-etilendiammina ); A è un gruppo idrolizzabile di natura organica o inorganica (es. cloruro, carbossile, alcossidi vari, eccetera) . The invention envisages the use of silica (SiO2) or a silica / germany mixture (SiO2 / GeO2) as the basic component of the vitreous matrix: they can be used as precursors of silica and germany, for example, organometallic compounds of silicon, such as silicic esters (tetraethyl-orthosilicate TEOS or tetramethyl-crtosilicate TMOS), and, respectively, of germanium, such as germanium tetraethoxide. The silicic esters (TEOS or TMOS) can also be substituted or integrated with other compounds of general formula Si (R) x (A) y where: x is between 0 and 3; y is between 1 and 4; the sum of the coefficients x and y is 4; R is a generic non-hydrolyzable alkyl group (also variously substituted, for example with complexing substituents of the alkyl-ethylenediamine type); A is a hydrolyzable group of organic or inorganic nature (eg chloride, carboxyl, various alkoxides, etc.).
In funzione del precursore impiegato viene scelto un idoneo solvente, per esempio un solvente alcolico; come solventi preferiti possono essere indicati i seguenti: etanolo, metanolo, diossano, acetone, THF, metossi-etanolo, loro miscele. Depending on the precursor used, a suitable solvent is selected, for example an alcoholic solvent; as preferred solvents the following can be indicated: ethanol, methanol, dioxane, acetone, THF, methoxy-ethanol, their mixtures.
Vantaggiosamente, il solvente viene rimosso tramite essiccazione del gel eppure tramite estrazione del solvente in condizioni ipercritiche, l'essiccazione essendo opzionalmente preceduta da un pre-trattamento termico del gel condotto ad una temperatura superiore a 100°C. Advantageously, the solvent is removed by drying the gel and yet by extracting the solvent under hypercritical conditions, the drying being optionally preceded by a thermal pre-treatment of the gel carried out at a temperature above 100 ° C.
I vetri secondo l'invenzione si prestano in particolare alla realizzazione di fibre ottiche scintillanti : l'invenzione si estende pertanto ad una fibra ottica scintillante caratterizzata dal fatto di comprendere un'anima ("core") che è stata ottenuta per filatura di un vetro realizzato con il procedimento precedentemente descritto, ovvero di un vetro avente le caratteristiche sopra indicate. The glasses according to the invention are particularly suitable for the production of scintillating optical fibers: the invention therefore extends to a scintillating optical fiber characterized by the fact that it comprises a "core" which has been obtained by spinning a glass made with the process described above, or of a glass having the characteristics indicated above.
Secondo un aspetto importante dell'invenzione, il vetro ottenuto dalla reazione sol-gel e successiva densificazione e sinterizzazione viene poi sottoposto ad un post-trattamento termico ad alta temperatura, in particolare ad una temperatura superiore alla temperatura a cui è condotta la sinterizzazione: si è constatato che questo trattamento induce, rispetto agli stessi vetri non sottoposti al post-trattamento, un significativo incremento dell'efficienza di scintillazione, come confermato da prove sperimentali comparative (su alcune delle quali si riferisce nell'allegato esempio 18). According to an important aspect of the invention, the glass obtained from the sol-gel reaction and subsequent densification and sintering is then subjected to a high temperature post-treatment, in particular at a temperature higher than the temperature at which the sintering is carried out: yes it was found that this treatment induces, compared to the same glasses not subjected to post-treatment, a significant increase in the scintillation efficiency, as confirmed by comparative experimental tests (on some of which the attached example 18 refers).
D'altra parte, un post-trattamento termico ad alta temperatura non è mai stato incluso in processi di tipo sol-gel, in quanto apparentemente contrario all'idea di base di questi processi (che consiste proprio nel ricorso a condizioni operative, e in particolare a temperature, relativamente blande). On the other hand, a high temperature heat post-treatment has never been included in sol-gel type processes, as apparently contrary to the basic idea of these processes (which consists precisely in the use of operating conditions, and in particularly at relatively mild temperatures).
Vantaggiosamente, il post-trattamento termico è condotto ad una temperatura superiore a circa 1400°C (e preferibilmente compresa tra 1400°C e 2000°C) per un tempo superiore a circa 1 secondo (preferibilmente compreso tra circa 5 secondi e circa 5 minuti e più preferibilmente tra circa 10 secondi e circa 1 minuto). Il post-trattamento termico può essere eseguito, per esempio, tramite esposizione a fiamma di idrogeno o ossigeno. Advantageously, the heat post-treatment is carried out at a temperature higher than about 1400 ° C (and preferably between 1400 ° C and 2000 ° C) for a time higher than about 1 second (preferably between about 5 seconds and about 5 minutes and more preferably between about 10 seconds and about 1 minute). Heat post-treatment can be performed, for example, by exposure to hydrogen or oxygen flame.
È stato inoltre riconosciuto il ruolo importante giocato, allo scopo di migliorare ulteriormente le caratteristiche del vetro e soprattutto l'efficienza di luminescenza, da altri parametri operativi del procedimento di realizzazione del vetro stesso, come la temperatura di sinterizzazione e la concentrazione del drogante (o dei droganti). It was also recognized the important role played, in order to further improve the characteristics of the glass and above all the luminescence efficiency, by other operating parameters of the glass manufacturing process, such as the sintering temperature and the dopant concentration (or of dopants).
In particolare, si è osservato che l'efficienza di luminescenza cresce al crescere della temperatura di sinterizzazione: la fase di sinterizzazione (operazione di formazione del vetro dal gel) viene pertanto vantaggiosamente condotta ad una temperatura superiore a circa 900°C e preferibilmente compresa tra 950°C e 1150°C÷1200 °C: come confermato da analisi a spettroscopia Raman e IR, in questo modo si consegue la completa formazione del vetro e la forte riduzione dei gruppi OH inizialmente presenti. In particular, it has been observed that the luminescence efficiency increases as the sintering temperature increases: the sintering step (forming the glass from the gel) is therefore advantageously carried out at a temperature higher than about 900 ° C and preferably between 950 ° C and 1150 ° C ÷ 1200 ° C: as confirmed by Raman and IR spectroscopy analysis, in this way the complete formation of the glass is achieved and the strong reduction of the OH groups initially present is achieved.
Per quanto riguarda la concentrazione del drogante (o dei droganti), la reazione sol-gel, che avviene in fase liquida a temperatura ambiente, permette, a differenza di processi dì fusione, di ottenere materiali in cui il drogante è incorporato nel mezzo indipendentemente dalla solubilità dell'elemento nella matrice vetrosa. È dunque possibile ottenere anche materiali con concentrazioni di drogante al di sopra del limite di solubilità, in sostanza sovrasaturi: ciò non di meno, questi materiali si sono rivelati sufficientemente stabili da permettere processi termici di sinterizzazione o lavorazioni a temperature al di sopra delia transizione vetrosa senza dare luogo a fenomeni di ceramizzazione . As regards the concentration of the dopant (or dopants), the sol-gel reaction, which takes place in the liquid phase at room temperature, allows, unlike fusion processes, to obtain materials in which the dopant is incorporated in the medium regardless of the solubility of the element in the glass matrix. It is therefore also possible to obtain materials with dopant concentrations above the solubility limit, essentially supersaturated: nevertheless, these materials have proved to be sufficiently stable to allow thermal sintering processes or processing at temperatures above the glass transition. without giving rise to ceramicization phenomena.
D'altra parte, si è sorprendentemente osservato che i vetri secondo 1'invenzione forniscono prestazioni ottiche elevate a concentrazioni di drogante relativamente basse: in particolare, si è osservano che per ottenere un livello di intensità di luminescenza paragonabile a quello di un vetro in accordo al trovato con concentrazione di drogante, per esempio, inferiore a 0,1% molare, è necessario utilizzare vetri tradizionali da fusione con concentrazioni di drogante di almeno un ordine di grandezza superiore. On the other hand, it has been surprisingly observed that the glasses according to the invention provide high optical performance at relatively low dopant concentrations: in particular, it has been observed that in order to obtain a level of luminescence intensity comparable to that of a glass in accordance with According to the invention with a dopant concentration, for example, lower than 0.1 mol%, it is necessary to use traditional fusion glasses with dopant concentrations of at least one order of magnitude higher.
L'invenzione viene ulteriormente descritta nei seguenti esempi di attuazione non limitativi, con riferimento ai disegni annessi in cui: The invention is further described in the following non-limiting embodiments, with reference to the attached drawings in which:
figura 1 illustra schematicamente un ciclo di sinterizzazione di un vetro in accordo al trovato; Figure 1 schematically illustrates a sintering cycle of a glass according to the invention;
- figura 2 illustra schematicamente una fibra ottica scintillante realizzata con il vetro secondo il trovato ; Figure 2 schematically illustrates a scintillating optical fiber made with the glass according to the invention;
- figura 3 riporta i risultati di prove comparative di radioluminescenza eseguite su un vetro secondo il trovato sottoposto o meno a post-trattamento termico dopo sinterizzazione; Figure 3 reports the results of comparative radioluminescence tests carried out on a glass according to the invention which has or has not been subjected to post-heat treatment after sintering;
- figura 4 riporta i risultati di prove comparative di radioluminescenza eseguite su un vetro secondo il trovato, due vetri commerciali prodotti da fusione e un cristallo scintillatore tradizionale. - figure 4 reports the results of comparative radioluminescence tests carried out on a glass according to the invention, two commercial glasses produced by fusion and a traditional scintillator crystal.
ESEMPIO -1 EXAMPLE -1
È stato preparato un sol composto da 6 mi di etanolo assoluto; 2 mi di tetraetil-ortosilicato (TEOS); 0,500 mi di una soluzione di Ce (N03 )3.6H20 in etanolo (concentrazione 4 mg/ml); 1,2 mi di acqua. A sol composed of 6 ml of absolute ethanol was prepared; 2 ml of tetraethyl orthosilicate (TEOS); 0.500 ml of a solution of Ce (N03) 3.6H20 in ethanol (concentration 4 mg / ml); 1.2 ml of water.
Il sol è stato filtrato su filtro da 0,2 micron, introdotto in un flacone di polipropilene a chiusura ermetica e posto a reagire in ambiente termostatato a 35°C. Ad avvenuta gelazione si sono praticate delle piccole aperture nel contenitore per permettere l'essiccazione lenta del gel nell'arco di un paio di settimane. Il prodotto così ottenuto (detto xerogel) è stato vetrificato mediante sinterizzazione termica a 1050°C secondo lo schema (puramente indicativo) riportato nell'allegata figura 1. The sol was filtered on a 0.2 micron filter, introduced into a hermetically sealed polypropylene bottle and reacted in a thermostated environment at 35 ° C. After freezing, small openings were made in the container to allow the slow drying of the gel over a couple of weeks. The product thus obtained (called xerogel) was vitrified by thermal sintering at 1050 ° C according to the scheme (purely indicative) shown in the attached figure 1.
Il trattamento è stato eseguito sotto vuoto, ma ulteriori prove hanno confermato che è possibile utilizzare anche atmosfere di He, Ar, N2 e anche atmosfere blandamente ossidanti come He:O2 all'1%; nell'intorno dei 700°C può essere vantaggioso operare in atmosfera Cl2:O2 per eliminare le tracce di acqua residua . The treatment was carried out under vacuum, but further tests confirmed that it is also possible to use He, Ar, N2 atmospheres and also mildly oxidizing atmospheres such as He: O2 at 1%; around 700 ° C it may be advantageous to operate in a Cl2: O2 atmosphere to eliminate traces of residual water.
Si è ottenuto un disco di vetro dello spessore di 1 mm e diametro di 15 mm, che è stato quindi trattato a fiamma di H2:O2 al calor bianco per alcuni secondi (temperatura compresa tra -1600° e 1800°C) per ottimizzare l'efficienza di scintillazione. A glass disc with a thickness of 1 mm and a diameter of 15 mm was obtained, which was then flame treated with H2: O2 at white heat for a few seconds (temperature between -1600 ° and 1800 ° C) to optimize the scintillation efficiency.
Composizione nominale atomica del verro ottenuto: 100 parti di Si e 0,1 parti di Ce. Nominal atomic composition of the boar obtained: 100 parts of Si and 0.1 parts of Ce.
ESEMPI 2-12 EXAMPLES 2-12
Sono stati preparati gli ulteriori sol la cui composizione è riportata in tabella 1. questi sol sono stati quindi trattati secondo modalità analoghe a quelle indicate nel precedente esempio 1, variando in alcuni casi le condizioni operative della fase di densif icazione/sinterizzazione e/o della fase di posttrattamento termico. The further sols were prepared, the composition of which is shown in table 1. These sols were then treated according to methods similar to those indicated in the previous example 1, varying in some cases the operating conditions of the densification / sintering phase and / or of the heat post-treatment phase.
ESEMPIO 13 EXAMPLE 13
È stato preparato un sol ponendo a ricadere 30 mi di etanolo assoluto; 20 mi di tetraetil-ort osilicato (TEOS) ; 0,50 mi di trietil-borato B(OC2H5),· 3 mi di acqua. Dopo 1 ora, alla decima parte del sol sono stati aggiunti 3,6 mi di una soluzione di Ce (CH3COO)3-xH?0 in miscela etanolo/acqua in rapporto 5:1 (a concentrazione 0,8 mg/ml) e 0,3 mi di acqua. A sol was prepared by refluxing 30 ml of absolute ethanol; 20 ml of tetraethyl orthosilicate (TEOS); 0.50 ml of triethyl borate B (OC2H5), 3 ml of water. After 1 hour, 3.6 ml of a solution of Ce (CH3COO) 3-xH? 0 in an ethanol / water mixture in a 5: 1 ratio (at a concentration of 0.8 mg / ml) was added to the tenth part of the sol. 0.3 ml of water.
Le fasi successive sono state condotte con modalità analoghe agli esempi precedenti. The subsequent phases were carried out in a manner similar to the previous examples.
ESEMPIO 14 EXAMPLE 14
È stato preparato un sol composto da: 6 mi di miscela etanolo/acqua in rapporto 5:1; 2 mi di tetraetil-ortosilicato (TEOS);· 0,2 mi di soluzione di Ce (N03)3.6H2O in etanolo (a concentrazione 4 mg/ml); 0, 500 mi di germanio tetraetossido . Il sol è stato posto in un contenitore (provetta) di vetro, reso idrofobico per silanizzazione . Il contenitore, una volta sigillato, è stato lasciato in incubatore a 35°C fino ad avvenuta gelazione del sol. Ottenuto il gel, il contenitore è stato aperto e posto in una autoclave di acciaio riempita di etanolo assoluto per l'esecuzione del seguente trattamento termico: A sol was prepared consisting of: 6 ml of ethanol / water mixture in a 5: 1 ratio; 2 ml of tetraethyl orthosilicate (TEOS); 0.2 ml of Ce (N03) 3.6H2O solution in ethanol (at a concentration of 4 mg / ml); 0.500 ml of germanium tetraethoxide. The sol was placed in a glass container (test tube), made hydrophobic by silanization. Once sealed, the container was left in an incubator at 35 ° C until the sol had frozen. Once the gel was obtained, the container was opened and placed in a steel autoclave filled with absolute ethanol for the following heat treatment:
- incremento della temperatura da temperatura ambiente a 230°C in 20 ore; - temperature increase from room temperature to 230 ° C in 20 hours;
- mantenimento della temperatura per 24 ore; - temperature maintenance for 24 hours;
- raffreddamento fino a temperatura ambiente in 20 ore. - cooling down to room temperature in 20 hours.
Il gel ottenuto è stato poi posto ad essiccare lentamente e quindi sottoposto a sinterizzazione e post-trattamento termico come già descritto. The gel obtained was then left to dry slowly and then subjected to sintering and post-heat treatment as already described.
ESEMPIO 15 EXAMPLE 15
Con le medesime modalità del precedente esempio 14, è stato preparato un sol composto da: 6 mi di etanolo assoluto; 2 mi di acqua; 4 mi di TEOS; 0,2 mi di soluzione di Ce(N03)3-6H20 in etanolo (a concentrazione 4 mg/ml); 1 mi di germanio tetraetossido . With the same modalities of the previous example 14, a sol was prepared consisting of: 6 ml of absolute ethanol; 2 ml of water; 4 ml of TEOS; 0.2 ml of solution of Ce (N03) 3-6H20 in ethanol (at a concentration of 4 mg / ml); 1 ml of germanium tetraethoxide.
Come nel caso precedente è stato utilizzato un contenitore di vetro silanizzato; ad avvenuta gelazione si è introdotto il gel in autoclave di acciaio contenente etanolo: il solvente è stato spillato lentamente, una volta raggiunte condizioni chimicofisiche di ipercriticità (per 1'etanolo ciò significa temperature maggiori di 245°C e pressione di 80 atmosfere), ed eliminato completamente. Il materiale ottenuto da tale processo, detto AEROGEL, è stato sinterizzato senza ulteriori trattamenti intermedi, con modalità analoghe a quelle già descritte. As in the previous case, a silanized glass container was used; after gelation, the gel was introduced into a steel autoclave containing ethanol: the solvent was tapped slowly, once the chemical-physical conditions of hypercriticity were reached (for ethanol this means temperatures higher than 245 ° C and pressure of 80 atmospheres), and completely eliminated. The material obtained from this process, called AIRGEL, was sintered without further intermediate treatments, with methods similar to those already described.
ESEMPIO 16 EXAMPLE 16
Ulteriori prove sono state eseguite variando sia le composizioni dei sol di partenza, sia le modalità operativa delle diverse fasi di processo. Further tests were carried out by varying both the compositions of the starting sols and the operating modes of the different process phases.
In particolare, sono stati preparati vetri aventi le composizioni nominali riepilogate in tabella 2. In particular, glasses were prepared having the nominal compositions summarized in table 2.
ESEMPIO 17 EXAMPLE 17
Vetri prodotti con le modalità sopra indicate (in particolare vetri di silice o di silice/germania al 5÷30% di germania) sono stati impiegati per la realizzazione di fibre ottiche, con tecniche note e non riportate in dettaglio per semplicità. Glasses produced with the methods indicated above (in particular silica or silica / germany glass with 5 ÷ 30% of germany) were used for the realization of optical fibers, with known techniques and not reported in detail for simplicity.
Una fibra ottica realizzata secondo il trovato è schematicamente illustrata in figura 2 e indicata nel suo complesso con il numero di riferimento 1: la fibra ottica 1 comprende un'anima centrale ("core") 2 di vetro circondata da un mantello ("cladding") 3 di un materiale avente indice di rifrazione inferiore: il core 2 è realizzato con i vetri secondo il trovato, il cladding 3 in silice pura o in materiali polimerici ad indice di rifrazione più basso di quello del core 2. In particolare, è stata realizzata una fibra ottica avente un core 2 di diametro DC dì circa 100 micron e un cladding 3 avente spessore di circa 20 micron: sono state anche realizzate altre fibre ottiche con diametro DC del core superiore al 50% del diametro totale DT della fibra ottica. Questo tipo di fibre ottiche, aventi diametro del core superiore al 50% del diametro totale e in particolare con rapporto tra diametro totale e diametro del core DC:DT intorno a 140:100, è particolarmente indicato per fibre ad alte prestazioni di scintillazione, per le quali non si richiede una grande distanza di trasmissione del segnale. An optical fiber made according to the invention is schematically illustrated in Figure 2 and indicated as a whole with the reference number 1: the optical fiber 1 comprises a glass "core" 2 surrounded by a "cladding" ) 3 of a material having a lower refractive index: the core 2 is made with the glasses according to the invention, the cladding 3 in pure silica or in polymeric materials with a lower refractive index than that of the core 2. In particular, it was made an optical fiber having a core 2 with a DC diameter of about 100 microns and a cladding 3 having a thickness of about 20 microns: other optical fibers with a DC core diameter greater than 50% of the total diameter DT of the optical fiber were also made. This type of optical fibers, having a core diameter greater than 50% of the total diameter and in particular with a ratio between total diameter and core diameter DC: DT around 140: 100, is particularly suitable for fibers with high scintillation performance, for which do not require a large signal transmission distance.
Resta inteso che possono essere anche prodotte fibre ottiche con geometrie tradizionali c standard, le quali permettono chiaramente un interfacciamento più semplice con fibre "passive" in grado di trasportare il segnale luminoso a maggiore distanza. It is understood that optical fibers with traditional and standard geometries can also be produced, which clearly allow easier interfacing with "passive" fibers capable of carrying the light signal over a greater distance.
ESEMPIO 18 EXAMPLE 18
Allo scopo di verificare l'effetto dei posttrattamento termico sull'efficienza di scintillazione, sono state eseguite misure di intensità di radioluminescenza su campioni di vetri prodotti in accordo al procedimento dell'invenzione ma non sottoposti a post-trattamento termico e su campioni degli stessi vetri sottoposti a post-trattamento termico: in tutti i casi si è osservato uni significativo incremento di intensità di radioluminescenza (da un minimo di 5 fino a circa un fattore 30 in dipendenza della concentrazione della terra rara); a titolo di esempio, in figura 3 sono riportati gli spettri di radioluminescenza a temperatura ambiente (intensità di radioluminescenza espressa in unità arbitrarie) di un vetro avente matrice vetrosa di silice con 0,1% di Ce e sinterizzato a 1050°C ma non sottoposto a post-trattamento termico (curva A), e dello stesso vetro sottoposto a posttrattamento termico a 1800°C per pochi secondi (curva B): l'incremento di intensità di radioluminescenza è di circa un fattore 6. In order to verify the effect of the thermal post-treatment on the scintillation efficiency, measurements of radioluminescence intensity were carried out on samples of glasses produced according to the process of the invention but not subjected to post-thermal treatment and on samples of the same glasses. subjected to post-heat treatment: in all cases a significant increase in radioluminescence intensity was observed (from a minimum of 5 to about a factor of 30 depending on the concentration of the rare earth); by way of example, figure 3 shows the radioluminescence spectra at room temperature (radioluminescence intensity expressed in arbitrary units) of a glass having a silica glass matrix with 0.1% Ce and sintered at 1050 ° C but not subjected after heat treatment (curve A), and of the same glass subjected to post-treatment at 1800 ° C for a few seconds (curve B): the increase in radioluminescence intensity is about a factor of 6.
Lo stesso vetro secondo il trovato, sottoposto a post-trattamento termico, è stato poi confrontato con due vetri commerciali prodotti da fusione e un cristallo scintillatore tradizionale, allo scopo di valutarne in via comparativa l'efficienza di scintillazione. I risultati delle prove sperimentali sono riportati in figura 4, dove sono rappresentate le curve di intensità luminosa (in unità arbitrarie) in funzione della lunghezza d'onda per: The same glass according to the invention, subjected to post-heat treatment, was then compared with two commercial glasses produced by fusion and a traditional scintillator crystal, in order to evaluate the scintillation efficiency in a comparative way. The results of the experimental tests are shown in figure 4, where the light intensity curves (in arbitrary units) are represented as a function of the wavelength for:
A, B: vetri commerciali prodotti da fusione da Applied Scintillation Technologies (AST) e denominati rispettivamente GS1 e NAG; A, B: commercial glass produced by fusion by Applied Scintillation Technologies (AST) and named respectively GS1 and NAG;
C: cristallo scintillatore Bi4Ge3O12; C: Bi4Ge3O12 scintillator crystal;
D: vetro prodotto per via sol-gel secondo il trovato (matrice silice con 0,1% Ce). D: glass produced by sol-gel according to the invention (silica matrix with 0.1% Ce).
I risultati illustrati confermano l'elevata efficienza del materiale secondo il trovato rispetto ai vetri commerciali ottenuti con processi di fusione. The illustrated results confirm the high efficiency of the material according to the invention with respect to commercial glasses obtained with melting processes.
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