Розроблено склади люмінесцентних стекол для перетворювачів рентгенівського випромінювання радіаційних інтроскопів. Проведено дослідження рентгенолюмінесценції неорганічних стекол, активованих іонами рідкоземельних елементів, при порушенні рентгенівським випромінюванням. Випробувана методика вимірювань яскравості рентгенолюмінесценції перетворювачів з використанням апаратурної бази радіаційних інтроскопів.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Казьміна О. В., Абіяка А. Н., Москальов Ю. А., Дітц А. А.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Люмінесцентні скла для перетворення рентгенівського випромінювання в радіаційних інтроскопія'

    Текст наукової роботи на тему «Люмінесцентні скла для перетворення рентгенівського випромінювання в радіаційних інтроскопія»

    ?УДК 666.1.022.4:66.093.2

    ЛЮМІНЕСЦЕНТНІ СКЛА ДЛЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

    У РАДІАЦІЙНИХ інтроскопів

    О.В. Казьміна, А.Н. Абіяка, ЮА Москальов, А.А. Дітц

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розроблено склади люмінесцентних стекол для перетворювачів рентгенівського випромінювання радіаційних інтроскопів. Проведено дослідження рентгенолюмінесценції неорганічних стекол, активованих іонами рідкоземельних елементів, при порушенні рентгенівським випромінюванням. Випробувана методика вимірювань яскравості рентгенолюмінесценції перетворювачів з використанням апаратурної бази радіаційних інтроскопів.

    Одним з найбільш важливих застосувань явища люмінесценції залишається перетворення проникаючих випромінювань в видиме світло. Починаючи з відкриття рентгенівських променів і до теперішнього часу, Рентгенолюмінесценція є основним процесом візуалізації радіаційних зображень в інтроскопії і дефектоскопії.

    В даний час відомо велика кількість люмінесцентних матеріалів що використовуються як детекторів або перетворювачів випромінювань в широкому діапазоні енергій, однак не всі вони можуть бути використані в якості перетворювачів рентгенівських випромінювань в інтроскопія. Якість радіаційних перетворювачів в значній мірі визначається властивостями вихідних матеріалів, які повинні відповідати таким вимогам [1]:

    • високе поглинання робочого пучка іонізуючого випромінювання;

    • високу просторову роздільну здатність;

    • узгодженість спектра люмінесценції з спектральної характеристикою ПЗС-матриці або фотоприймача інтроскоп;

    • технологічна можливість виготовлення перетворювача у вигляді екрану досить великої площі.

    Перетворювачем рентгенівських променів може виступати неорганічне скло. Завдяки своїм унікальним властивостям - прозорість в видимому діапазоні спектра, достатня міцність, стійкість проти впливу навколишнього середовища, гнучка технологічність, що дозволяє відносно простими засобами виготовляти вироби різної форми, скло широко використовується для виготовлення конструктивних елементів різних приладів і вимірювальних пристроїв [2].

    Незважаючи на всі перераховані переваги скла, перед іншими матеріалами, в Росії не налагоджений випуск перетворювачів рентгенівського випромінювання на їх основі. За кордоном виготовленням рентгенолюмінесцентних стекол займається американська фірма «Collimated Holes, Inc.», однак розроблений даною фірмою склад скла в технічній літературі не наводиться [3].

    Мета даної роботи - розробити склади люмінесцентних стекол, придатних для виготовлен-

    ня екранних перетворювачів рентгенівського випромінювання, що застосовуються в промисловій дефек-то- і интроскопии.

    Як активаторів рентгенолюмінесценції стекол розглянуті оксиди рідкоземельних елементів (РЗЕ). Специфіка фізико-хімічних оксидів РЗЕ пов'язана з особливостями їх електронної будови, наявністю незаповнених ор-біталей. При поглинанні електромагнітного випромінювання відбувається перехід неспарених електронів з рівня основного стану на рівень порушеної. Люмінесценція виникає як результат зворотного переходу збуджених електронів на більш низькоенергетичні рівні.

    В якості матриці на початковому етапі роботи було вибрано легкоплавкое трикомпонентну скло системи РЬ0-В203-8Ю2 з високим вмістом свинцю (до 40 мол.%). Інтерес до скла зазначеної системи викликаний тим, що свінецсодержа-щие скла мають високу щільністю, яка безпосередньо пов'язана зі здатністю скла поглинати рентгенівські промені, стійкістю до фарбування під дією випромінювання, високим світлопропускання у видимій частині спектру, а також низькою температурою варіння.

    З метою зниження негативного впливу домішок на люмінесцентні властивості скла, шихти синтезували з реактивів марки «х.ч.». Варіння свинецсодержащих стекол, активованих оксидами РЗЕ в кількості 2 мас. %, Здійснювали в корундових тиглях місткістю 200 мл при температурі 1200 ° С. Виливок скломаси здійснювали в чавунні форми з подальшим відпалом. Зразки готувалися у вигляді полірованих пластинок товщиною 5 мм.

    Відомі в даний час методики вимірювання яскравості рентгенолюмінесценції різних матеріалів засновані на загальній схемі, що включає джерело випромінювання, що вимірюється зразок, детектор світлового потоку рентгенолюмінесценції, поєднаний з вимірювальним приладом.

    Як джерело випромінювання використовуються рентгенівські апарати з енергією 20 ... 200 кВ або ізотопні джерела /-випромінювання, такі як 758е, 241Ат з енергією / -квантів 20 ... 300 кеВ. Слід зазначити, що в останньому випадку для забезпечення

    радіаційної безпеки використовуються ізотопні джерела з малою активністю - в межах до 100 квантів / с.

    Відповідно до інтенсивністю джерела випромінювання і яскравістю рентгенолюмінесценції використовують різні детектори - вимірювачі люмінесценції. Так, у разі застосування ізотопних джерел, застосовують фотоелектронні помножувачі (ФЕУ), що працюють в рахунковому режимі. При використанні рентгенівських апаратів вимір яскравості світіння зразків здійснюється за допомогою ФЕУ в струмовому режимі або селенових фотоелементів в комплексі з гальванометром.

    Необхідно відзначити, що зазначені схеми не забезпечують необхідної точності вимірювань яскравості. У разі ізотопних джерел - мала статистика 7-квантів обмежує точність вимірювань в межах 20%. Для рентгенівських апаратів із застосуванням ФЕУ та селенових фотоелементів - нестабільність роботи блоків живлення також обмежує точність вимірювань і повторюваність результатів.

    Крім того, для визначення придатності лю-мінесцірующіх стекол в якості перетворювачів випромінювання інтроскопів, необхідно враховувати спектральну сумісність спектрів люмінесценції досліджуваного скла (максимальна довжина хвилі спектру рентгенолюмінесценції 550 нм) і область спектральної чутливості ПЗС-ма-тріци інтроскоп. У зв'язку з цим в якості вимірювального приладу використовували ПЗС-камеру ISD-017 АР інтроскоп РИН-120 з матрицею, що працює в режимі накопичення світлового сигналу. Як джерело випромінювання використовувався рентгенівський апарат РУП-150/300. Схема вимірювання представлена ​​на рис. 1.

    У даній методиці вимірювань автоматично вирішувалося питання про спектральному відповідно рентген-нолюмінесценціі стекол і чутливості ПЗС-матриці. За рахунок накопичення сигналу на матриці підвищувалася точність вимірювань. при вико-

    вання програмного забезпечення «Діада» проводилося одночасне вимірювання декількох зразків стекол і порівняння їх яскравості з еталоном.

    Всі вимірювання проводилися при двох режимах рентгенівського апарату - 100 кВ / 3 мА і 220 кВ / 6 мА. Для виділення м'якою компоненти випромінювання (менше 50 кеВ) використовувався рентгенівський фільтр - сталевий лист товщиною 1,5 мм.

    Для визначення оптимального співвідношення компонентів і концентрації активаторів були проведені вимірювання для стекол з різними активаторами (табл. 1). Встановлено, що максимальну інтенсивність світіння має скло, активований тербием, тому подальші дослідження проводилися з використанням цього активатора.

    Таблиця 1. Інтенсивність світіння свинцевих стекол, активованих 2 мас. % РЗЕ

    Активатор Ускоряющее напруга, кВ Струм, мА Інтенсивність світіння, ум. од.

    CeO2 100 220 3 6 20 60

    Nd2O3 100 220 3 6 20 30

    Sm2O3 100 220 3 6 35 100

    EU2O3 100 220 3 6 30 120

    Gd2O3 100 220 3 6 30 60

    Tb4O7 100 220 3 6 50 300

    Dy203 100 220 3 6 40 200

    H02O3 100 220 3 6 20 40

    Yb2O3 100 220 3 6 30 60

    Для встановлення впливу концентрації оксиду тербія на інтенсивність світіння, його кількість в склі змінювали в межах від 2 до 15 мас. %.

    Мал. 1. Схема вимірювання яскравості рентгенолюмінесценції: 1) джерело випромінювання ~ рентгенівський апарат; 2) фільтр рентгенівського випромінювання; 3) досліджуваний зразок люмінесцентного скла; 4) захисне скло; 5) рентгеночувствітельний блок інтроскоп; 6) ПЗС-матриця; 7) комп'ютер

    Вимірювання, проведені при ускоряющем напрузі 220 кВ і силі струму 6 мА, дозволили встановити залежність зростання інтенсивності світіння з 300 до 750 ум. од. від концентрації активатора (рис. 2). Очевидно, що прямолінійний ділянку залежно після 10 мас. % Tb4O7 і незначне зменшення інтенсивності світіння пов'язані з ефектом концентраційного гасіння. Оптимальною кількістю активатора вибрано 10 мас. % Оксиду тербія.

    Незважаючи на відносну легкість стеклооб-разования свинецсодержащих складів, отримання скла цієї системи з заданими властивостями пов'язано з певними труднощами, такими як висока неоднорідність скломаси, присутність ликвации. Однією з причин неоднорідності є висока летючість (до 14 мас.%) З поверхні дзеркала скломаси оксиду свинцю. Ліквационноє-ний розпад розплаву на дві і більше фаз для стекол досліджуваної системи PbO-B2O3-SiO2, може мати місце прихований характер при утриманні оксиду свинцю понад 20 мовляв. %, Що в кінцевому підсумку ускладнює процес отримання заданої структури скла. Крім того, свинцевий сурик (Pb3O4), за допомогою якого в скло вводиться оксид свинцю, відноситься до шкідливих речовин 1 категорії. 800 -,-

    і 700

    <і <і

    «600

    А Я Й 4

    g * 500

    § R

    і е

    g * 400

    до

    до 300 К

    200 -

    3 6 9 12

    Зміст в склі Tb4O7, травні. %

    15

    ням енергії збуджуючих квантів все більша частина світла поглинається в вилуженої шарі, що не дає люмінесценції. З метою усунення впливу якості поверхні зразка на результати вимірювань його яскравості, далі порівняльний аналіз стекол різних складів здійснювали на порошках стекол.

    Таблиця 2. Склади стекол з вмістом 10 мас. % ТЬ40

    Шифр скла Склад скла, мас. % Додаткові добавки, понад 100%

    B2O3 SiO2 Li2O ВаО MgO AI2O3 Na2O WO3 nh4f З GdO

    1 7,29 64,81 9,68 18,21 - - - - 2 - -

    2 7,29 64,81 9,68 18,21 - - - - - 2 -

    3 7,29 64,81 9,68 14,57 3,64 - - - 2 - -

    4 7,29 64,81 9,68 18,21 - - - 20 - - -

    5 7,29 64,81 9,68 14,57 3,64 - - - - - -

    6 7,29 64,81 9,68 14,57 3,64 5

    7 34,08 39,17 - - - 16,64 10,11 - - - -

    8 34,08 39,17 - - - 16,64 10,11 - - - 5

    Мал. 2. Залежність інтенсивності світіння свинецсодержащих стекол від концентрації ТЬ40

    З огляду на вищевикладене, і головним чином у зв'язку з низькими характеристиками світності свинецсодержащих стекол, в якості базових матриць були розглянуті склади сцінтіллірующего-щих стекол систем Li20-Ва0-Si02 і Al2O3-B2O3-SiO2 (табл. 2). Технічна сцинтиляційних ефективність цих стекол, активованих оксидом церію, при порушенні / -променями, за даними роботи [4], становить 2 ... 3 мас. % По відношенню до кристалу (П).

    Як було зазначено вище, результати інтенсивності світіння свинецсодержащих стекол були отримані на зразках з попередньо підготовленою поверхнею, обробку якої здійснювали за допомогою процесу полірування. При поліровці створюються сприятливі умови для вилуговування, що розвивається в контактує з водою поверхневому шарі скла. Результатом цього процесу є вихід з тонкого приповерхневого шару скла іонів натрію. З підвищена-

    Синтез стекол, активованих оксидом тербія в кількості 10%, здійснювали в корундових тиглях при температурі 1350 ° С, з подальшим відпалом в тиглі, подрібненням скла і виділенням фракції 0,315 ... 0,15 мм.

    За вихідний склад вибрано скло (№ 1, табл. 2), відповідне марці З-56-8. Тербий може існувати в стекломассе в трьох і чотирьох валентних формах, між якими встановлюється рівновага Tb3 + / Tb4 +, яке визначається складом і температурними умовами синтезу. З урахуванням того, що здатність люминесцировать володіє тільки іон! '3 +, для створення відновлювальних умов варіння, з метою зміщення реакцій в бік освіти тривалентного тербія, до складу скла додатково вводили вуглець (№ 2, табл. 2). Для збільшення щільності скла і відповідно його поглинання в базовий склад скла додатково вводився важкий елемент у вигляді оксиду вольфраму (№ 4, табл. 2). Крім того, були випробувані склади стекол з частковою заміною оксиду барію на оксид магнію (№ 3, 5). Результати дослідження інтенсивності світіння досліджуваних складів представлені на рис. 3.

    4500 -4000 - | 3500 -5 3000 -2 § 2500 -2000 -1500 -1000 -500 0

    2 п

    1 _п_ _ - -

    345 678

    Шифр скла

    Мал. 3. Інтенсивність світіння порошків скла різного складу (120 кВ, 3 мА, експозиція 4 с)

    Як видно з отриманих даних (рис. 3), інтенсивність світіння порошку скла базового зі-

    0

    става збільшується в разі використання вуглецю до 2000 ум. од. Введення до складу скла оксиду вольфраму незначно підвищує інтенсивність світіння до 1100 ум. од., в порівнянні з 800 ум. од. базового складу (№ 1).

    Максимальну світність (4000 ум. Од.) Має склад з заміною 20% оксиду барію на оксид магнію. Ефект зростання люмінесценції скла з магнієм відзначений також в роботі [5], в якій встановлено, що часткова заміна катіонів оксиду барію на оксид магнію в кількості 5 ... 10 мовляв. % Сприяє збільшенню відносної сцінтілля-ної ефективності бесщелочного фторсодер-службовців стекол. Причому, вихід рентгенолюмінес-ценціі складу з магнієм і фтористим амонієм (№ 3) незначний, всього 1300 ум. од.

    Відомі дані про вплив взаємодії РЗЕ між собою на люмінесцентні характеристики матеріалу. При порівняно малих концентраціях взаємодія виражається головним чином в передачі енергії від одного РЗЕ до іншого, внаслідок чого спостерігається гасіння одного або обох взаємодіючих іонів, гасіння одного і сенсибілізація їм іншого РЗЕ або тільки сенсибілізація іншого. При великих концентраціях можна спостерігати і інші ознаки взаємодії: зміна спектрів поглинання та люмінесценції. В роботі [6] наводяться експериментальні дані про сенсибилизирующей вплив на тербий в неорганічний склі диспрозия, церію та гадолінію, тому додатково був випробуваний склад з введенням 5% оксиду гадолінію (№ 7). Інтенсивність світіння при цьому становитиме 3000 ум. од., що вище в порівнянні з базовим складом, але нижче максимально світиться складу із заміною барію на магній (№ 5).

    Таким чином, інтенсивність рентгенолюмі-несценціі скла залежить не тільки від типу активатора і його концентрації, але і від базового складу скла, змінюючи який шляхом введення додаткових модифікаторів, можна збільшувати вихід люмінесценції.

    При використанні скла в якості перетворювача рентгенівських променів необхідно враховувати його технологічні характеристики, деякі з яких можна прогнозувати, враховуючи діаграму стану системи, до якої належить цей склад скла. Зокрема, початковий склад скла системи Li20-Ва0-Si02 (точка на діаграмі рис. 4), на відміну від свинецсодержащих стекол, не має метастабільною ликвации і має низьку схильністю до кристалізації, що обумовлено низькою температурою плавлення (приблизно 950 ° С) і знаходженням складу в області евтектичних точок.

    За літературними даними в якості ефективно сцінтіллірующего під дією / -випромінюванням матеріалу рекомендується скло -1,0№20-0,3Се203- (3 ... 4) В203 ^ Ю2- (1,0 ... 1,3) А1203 [ 7], із застосуванням активатора - оксиду церію.

    Даний склад, перерахований на оксид тербія, був обраний в якості базового (№ 7, табл. 3), з додатковим введенням другого РЗЕ - Gd0 (№ 8). За кількістю склоутворювачами - оксидів кремнію і бору, стекломасса відрізняється високою стійкістю до Стеклообразование. Максимальна температура процесу варіння становила 1350 ° С, з подальшим відпалом при 500 ° С.

    в 10о

    1713

    1600

    11

    Трідімт -? Дід "

    і2ошо $

    1033 "80.

    ио-гзю?

    -ЛВаО'ЗЩ

    Іг0Щ 20 ьо 990 ° 60 80 ВаОЩ

    1201 ° Мол.% 1605 °

    Мал. 4. Діаграма стану системи і20-5Ю2-Ва0-5Ю2

    Інтенсивність світіння порошків отриманих стекол склала для складів (№ 7, 8) 1600 і 2000 ум. од., відповідно. Присутність у складі скла оксиду гадолінію в кількості 5% кілька підвищує вихід люмінесценції. Очевидно, що в разі одночасної присутності гадолінію і тербія в склі системи А1203-В203 ^ Ю2 відбувається передача енергії, при якій здійснюється сенсибілізація активатора.

    Рис 5. Діаграма стану А12 03 -В2 03-5Ю2

    Як видно з діаграми стану (рис. 5), досліджуваний склад скла знаходиться в області кристалізації муллита 3А1203 ^ Ю2, поблизу прикордонної лінії, що відповідає його відносно низькою схильності до кристалізації. присут-

    ствие в складі скла оксиду натрію знижує температуру плавлення і кристаллизационную здатність. Однак дані склади стекол мають менший виходом люмінесценції в порівнянні зі склом системи Li20-Ва0-Si02.

    Таким чином, на підставі аналізу даних літератури та отриманих результатів випливає, що неорганічне скло розроблених складів завдяки прозорості у видимому діапазоні

    спектра, достатньої міцності, гнучкою технологічності і високому световиходу може бути використано в якості перетворювача рентгенівських променів інтроскопів.

    Робота виконана за фінансової підтримки відомчої наукової програми Міністерства освіти РФ «Розвиток наукового потенціалу вищої школи» в напрямку «Нові матеріали і хімічні технології, в тому числі наноматеріали і нанотехнології».

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Прилади для неруйнівного контролю матеріалів і виробів. Кн. 1 / Под ред. В.В. Клюєва. - 2-е изд., Перераб. і доп. -М .: Машинобудування, 1986. - 488 с.

    2. Бюргановская Г.В., Варгина В.В., Леко Н.А., Орлов Н.Ф. Дія випромінювань на неорганічні скла. - М .: Атомиздат, 1968. - 244 с.

    3. http://www.collimatedholes.com/

    4. Скло. Довідник / За ред. Н.М. Павлушкін. - М .: Стройиздат, 1972. - 487 с.

    5. Оптичні та спектральні властивості стекол: Тези VI Всес. симп. по оптичних і спектральним властивостям стекол. - Рига: ЛДУ ім. П. Стучки, 1986. - 210 с.

    6. Карякін А.В., Анікіна Л.І., Павленко Л.І., Лактіонова Н.В. Спектральний аналіз рідкоземельних оксидів. - М .: Наука, 1974. - 154 с.

    7. Довідник з виробництва скла / Под ред. І.І. Китайгородського. - М .: Госстройіздат, 1963. - Т. 1. - 1026 з.

    УДК 666.1.01: 66.1.031: 66.046.52

    ВАРКА ШИХТИ НА ОСНОВІ ПРИРОДНОГО некондиційних кремнеземутримуючі СИРОВИНИ

    Н.С. Крашенинникова, О.В. Казьміна, І.В. Фролова

    Томський політехнічний університет Е ^ У: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Показано, що використання кварцового піску Туганского родовища Томської області і маршалліта Елбашенского родовища Новосибірської області, що мають більш розвинену питому поверхню, в порівнянні з кварцовим піском Ташлін-ського родовища Ульяновської області, в поєднанні з дефектною структурою їх зерна забезпечує підвищення хімічної активності шихт на стадії силікатів - і стеклообразованія. Ефективним способом підготовки скляних шихт з використанням некондиційних тонкодисперсних кремнеземутримуючі матеріалів у виробництві скла є їх ущільнення.

    Виробництво скла відноситься до матеріало- і енергоємним технологіям, в яких широко використовуються природні і штучні сировинні матеріали. Головною складовою частиною більшості промислових шихт є природне кремені-земсодержащее сировину (кварцовий пісок, кварцит, піщаник, жильний кварц) і синтетичні щело-чесодержащіе матеріали (кальцинована сода, сульфат натрію, содо-Поташня суміш).

    Останнім часом перед підприємствами скляної промисловості все частіше постає проблема дефіциту сировинних матеріалів, обумовлена ​​виснаженням запасів імпортної кондиційної сировини, віддаленістю сировинних баз від споживачів, браком уваги до питань, пов'язаних з модернізацією діючих та розробкою нових родовищ.

    Одним з методів вирішення даної проблеми є використання нових - недефіцитних і

    недорогих сировинних матеріалів, природного та техногенного походження, які в ряді випадків дозволяють, крім зниження собівартості продукції, інтенсифікувати процеси скловаріння [1].

    У даній роботі досліджено вплив заміни кварцового піску Ташлінского родовища, широко використовується у виробництві різних видів стекол, некондиційним природним крем-неземсодержащім сировиною на процес варіння та якість скла. Об'єктами дослідження стали -кварцсодержащая складова Туганского родовища Томської області, одержувана при збагаченні циркон-ільменітової руди, і збагачений маршаллит Елбашенского родовища Новосибірської області. Принципова можливість використання даних матеріалів у виробництві тарного скла була встановлена ​​авторами раніше [2, 3].


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити