Способ получения чистого вольфрамата свинца в ионных расплавах

Изобретение относится к технологии получения вольфрамата свинца (PbWO4) в ионных расплавах и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения. Исходные компоненты, взятые в эквивалентных количествах, смешивают и тщательно перетирают в ступке, загружают в платиновый тигель и опускают в шахтную печь, температуру в которой поднимают постепенно до 550-600°C, и выдерживают 1 ч. Расплав выливают на стальную подложку, после охлаждения тщательно перетирают в ступке и отмывают PbWO4 от шлака (сульфаты) в горячей воде в течение 20 мин, затем отфильтровывают, промывая водой. Полученный порошок PbWO4 просушивают при 300°С, а затем прокаливают при 500°C. Технический результат: получение чистого вольфрамата свинца, сокращение времени процесса синтеза и энергозатрат. 3 пр.

 

Изобретение относится к способам получения вольфраматов металлов, а именно к способу получения вольфрамата свинца (далее PbWO4) в ионных расплавах, и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения.

Одним из достижений современной науки стала постройка Большого Адронного Коллайдера для изучения микрочастиц и проникновения в строение вещества. Микрочастицы можно лишь зафиксировать точнейшей аппаратурой - фотонным спектрометром, в котором используются сцинтилляторы, способные регистрировать ионизирующие излучения – гамма-кванты. В настоящее время в качестве такого сцинтиллятора используют монокристаллы вольфрамата свинца PbWO4. Таким образом, разработка и создание Большого Адронного Коллайдера (LHC) в Европейской лаборатории физики частиц (CERN) невозможны без использования новых детектирующих элементов, способных сохранить высокую стабильность своих параметров под воздействием радиационного излучения в течение длительного периода времени [R. Novotny, W. Doring, K. Mengel, V. Metag, Response function of PbWO4 – Detectors to Electrons and Photons between 50 and 855 MeV Energy. In Proc. SCrNT'97 September 22-25, 1997, Shanghai, China. P. 21].

В начале 90-х годов в рамках выполнения программы LHC были получены монокристаллы Lu2SiO5 с более сильными сцинтилляционными свойствами, чем вольфрамат свинца. Однако высокая стоимость не позволила использовать их в большом количестве (1 см3 кристалла PDWO4 стоит ≈ 8 долларов, a Lu2SiO5 ≈ 100 долларов).

В настоящее время радиационно-стойкий кристалл вольфрамата свинца используется для изготовления электромагнитного калориметра (ECAL) проекта компактный мюонный соленоид (CMS) и фотонного детектора в эксперименте ALICE в CERN. Сцинтиллятор на основе вольфрамата свинца был одобрен для проведения ECAL-эксперимента BTeV в Национальной лаборатории им. Ферми (США) [P. Lecoq, I. Dafinei, E. Auffray et al., The crystal clear projectnim. A365 (1995) 291]. PbWO4 также используется как люминесцентный материал, а также в производстве полупроводников.

Известен способ получения сцинтилляционного монокристалла вольфрамата свинца, который может найти применение для изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения. Согласно предлагаемому способу монокристалл вольфрамата свинца получают методом Чохральского на затравку из оксидов свинца (II) и вольфрама (VI), ориентированную под углом до 10° к кристаллографической оси "а" кристалла, в условиях подавления окисления кристаллообразующих ионов и расстехиометризации расплава и легирования примесями окислов металлов лантана, иттрия и ниобия в количестве 0,001-0,1 вес.%, при температуре выше 1000°C в течение нескольких суток, а затем из полученного расплава с температурой 1800°C вытягивается растущий монокристалл. Получаемый монокристалл вольфрамата свинца обладает высокими потребительскими свойствами: улучшенной радиационной стойкостью, повышенной оптической однородностью, увеличенным световым выходом сцинтилляций и улучшенной механической прочностью [Патент РФ №2132417. Авторы: Анненков А.Н.; Коржик М.В.; Костылев В.Л.; Лигун В.Д.].

Недостатками данного способа являются: очень высокие температуры процессов, длительное время синтеза, так как скорость процесса в твердой фазе очень низкая. Также надо учесть, что оксид свинца - летучее вещество, поэтому кристаллы вольфрамата свинца имеют состав, отличающийся от стехиометрического.

Именно по такому способу получают по сей день монокристаллы вольфрамата свинца в Богородицком заводе технохимических изделий в Росси методом Чохральского; Шанхайском институте керамики (Китай) методом Бриджмена компанией Hurukava; Институте монокристаллов (г. Харьков, Украина); ОАО «Северные кристаллы» (г. Апатиты, Мурманская обл.) в кооперации с РНЦ «Курчатовский институт».

Известен способ получения вольфрамата свинца в нитратном расплаве смеси компонентов KNO3, NaNO3, Pb(NO3)2, взятых в количестве 0,6320; 0,3679 и 0,2198 моль соответственно, в который добавляют NaWO4 в количестве эквивалентном Pb(NO3)2. Синтез PbWO4 ведут при температуре 200-250°С в 2 этапа [Шурдумов Г.К. Синтез молибдата и вольфрамата свинца в расплавах систем [KNO3-NaNO3-Pb(NO3)2]эвт.-Na2Mo(W)O4 [(K,Na,Pb//NO3,Mo(W)O4)], «ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ: ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 2014, т.57, N2, стр.91-96].

Недостатками данного способа синтеза PbWO4 являются агрессивная среда, термическая и термодинамическая неустойчивость реагентов, выделение токсичного газа NO2, протекание побочных окислительно-восстановительных реакций:

Образовавшийся в результате реакции (1) оксид свинца (II) загрязняет продукт, т.к. PbO не растворяется в воде.

Также главным недостатком данного способа получения вольфрамата свинца является разложение нитрата свинца уже при температуре 200°С, а процесс ведут при температуре 200-250°С. Таким образом, как на первом, так и на втором этапах выделяется бурый газ.

Задача, решаемая изобретением: получение чистого вольфрамата свинца в ионных расплавах, которая обеспечивает сокращение времени процесса синтеза и энергозатрат.

Поставленная задача решается следующим образом: в исходную шихту вводят вольфраматы лития и натрия, также сульфат свинца в следующих мольных соотношениях:

в соответствии с уравнением реакции:

Исходные компоненты, взятые в эквивалентных количествах, смешивают и тщательно перетирают в ступке, загружают в платиновый тигель и опускают в шахтную печь, температуру в которой поднимают постепенно до 550-600°С, и выдерживают 1 час. Расплав выливают на стальную подложку и после охлаждения тщательно перетирают в ступке и отмывают PbWO4 от шлака (сульфаты) в горячей воде в течение 20 минут, затем отфильтровывают, промывая водой. Полученный порошок PbWO4 просушивают при 300°С, а затем прокаливают при 500°С.

Пример 1

Берут вольфрамата натрия 16,15 г, сульфата свинца 33,30 г и вольфрамата лития 14,40 г. Исходные компоненты, взятые в эквивалентных количествах, смешивают и тщательно перетирают в ступке, загружают в платиновый тигель и опускают в шахтную печь, температуру в которой поднимают постепенно до 550-600°С, и выдерживают 1 час. Расплав выливают на стальную подложку и после охлаждения тщательно перетирают в ступке и отмывают PbWO4 от шлака (сульфаты) в горячей воде в течение 20 минут, затем отфильтровывают, промывая водой. Полученный порошок PbWO4 просушивают при 300°С, а затем прокаливают при 500°С. Полученный вольфрамат свинца в количестве 49,925 г представлял порошок светло-желтого цвета. Рентгенофазовый анализ (далее РФА) и спектральный анализ (далее СА) показали, что полученный вольфрамат свинца не содержит примесей.

Выход целевого продукта составил 99,85%.

Пример 2

Способ получения чистого вольфрамата свинца PbWO4 осуществляют аналогично примеру 1. Отличием от первого примера является то, что берут вольфрамата натрия 19,38 г, сульфата свинца 39,96 г и вольфрамата лития 17,27 г. Исходные компоненты, взятые в эквивалентных количествах, смешивают и тщательно перетирают в ступке, загружают в платиновый тигель и опускают в шахтную печь, температуру в которой поднимают постепенно до 550-600°С, и выдерживают 1 час. Расплав выливают на стальную подложку и после охлаждения тщательно перетирают в ступке и отмывают PbWO4 от шлака (сульфаты) в горячей воде в течение 20 минут, затем отфильтровывают, промывая водой. Полученный порошок PbWO4 просушивают при 300°С, а затем прокаливают при 500°С. Полученный вольфрамат свинца в количестве 59,94 г представлял порошок светло-желтого цвета. РФА и СА показали, что полученный вольфрамат свинца не содержит примесей.

Выход целевого продукта составил 99,9%.

Пример 3

Способ получения чистого вольфрамата свинца PbWO4 осуществляют аналогично примеру 2. Отличием от первого примера является то, что берут вольфрамата натрия 22,62 г, сульфата свинца 46,62 г и вольфрамата лития 20,15 г. Исходные компоненты, взятые в эквивалентных количествах, смешивают и тщательно перетирают в ступке, загружают в платиновый тигель и опускают в шахтную печь, температуру в которой поднимают постепенно до 550-600°С, и выдерживают 1 час. Расплав выливают на стальную подложку и после охлаждения тщательно перетирают в ступке и отмывают PbWO4 от шлака (сульфаты) в горячей воде в течение 20 минут, затем отфильтровывают, промывая водой. Полученный порошок PbWO4 просушивают при 300°С, а затем прокаливают при 500°С. Полученный вольфрамат свинца в количестве 69,965 г представлял порошок светло-желтого цвета. РФА и СА показали, что полученный вольфрамат свинца не содержит примесей.

Выход целевого продукта составил 99,95%.

Технический результат: получение чистого вольфрамата свинца в ионных расплавах.

Способ получения чистого вольфрамата свинца в ионных расплавах, заключающийся в сплавлении в печи исходных веществ, выдерживании расплава в печи, охлаждении сплава до комнатной температуры, отмывании от шлака, просушивании и прокаливании, отличающийся тем, что берут исходные вещества в эквивалентных количествах, г:

вольфрамат натрия 16,15-22,62
сульфат свинца 33,30-46,62
вольфрамат лития 14,40-20,15



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам обнаружения излучения и формирования изображений с помощью излучения. Устройство содержит детектор излучения, поступающего в устройство обнаружения излучения, электрическую схемную плату, выполненную с возможностью управления детектором, блок охлаждения, выполненный с возможностью охлаждения детектора и схемной платы, и кожух, выполненный с возможностью вмещения указанных элементов.

Изобретение относится к сцинтиллятору, который может быть использован в качестве детектора рентгеновского излучения в медицине, при досмотре вещей в аэропортах, досмотре грузов в портах, в нефтеразведке.

Изобретения могут быть использованы в медицинских томографических устройствах, в устройствах для измерения излучения в области физики высоких энергий и разведки природных ресурсов.

Изобретение относится к детекторам ионов на космических аппаратах и в области ускорительной атомной масс-спектрометрии - с улучшенными характеристиками по степени идентификации ионов.

Изобретение относится к области измерения ядерных излучений, а именно к измерению в режиме мониторинга плотности невозмущенного потока радона с поверхности грунта.

Изобретение относится к способу определения направления на источник ядерного излучения сцинтилляционными детекторами. Способ поиска и обнаружения источников ядерных излучений с использованием сцинтилляционных кристаллов, площадь поперечного сечения которых значительно меньше площади боковой поверхности, заключающийся на сравнении количества зарегистрированных частиц сцинтилляционными кристаллами, находящимися в непосредственной близости друг от друга, но под разными углами, обработки полученной измерительной информации и принятии решения о результате по минимальному зарегистрированному детектором событий каждым отдельным кристаллом.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения, а именно к способам измерения мощности поглощенной дозы гамма-излучения с помощью сцинтилляционных детекторов.

Изобретение относится к новым неорганическим кристаллическим сцинтилляционным материалам на основе бромида лантана, легированного церием, и может быть использовано для регистрации ионизирующего излучения – гамма-квантов, рентгеновского излучения, космических излучений, элементарных частиц в фундаментальной физике, технике и медицине.

Изобретение относится к устройству обнаружения для обнаружения излучения. Устройство обнаружения для обнаружения излучения содержит вещество оксисульфид гадолиния (GOS) для формирования сцинтилляционного света в зависимости от обнаруженного излучения, оптический фильтр для снижения интенсивности части сцинтилляционного света, имеющего длину волны более 650 нм, блок обнаружения для обнаружения фильтрованного сцинтилляционного света.
Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано для изготовления недорогих сцинтилляционных детекторов в самом широком диапазоне габаритных размеров и толщин.

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерной оптике, функциональной электронике и может быть использовано при изготовлении оптических устройств, активных сред низкопороговых твердотельных лазеров инфракрасного диапазона с оптической накачкой, устройств для отображения знаковой, графической и телевизионной информации, а также сцинтилляторов.

Изобретение относится к материалам квантовой электроники и оптики и может быть использовано в устройствах для отображения информации, электронно-лучевых приборах, люминесцентных лампах, в частности, светоизлучающих диодах белого свечения, сцинтилляторах, катодо- и рентгенолюминофорах.
Изобретение относится к материалам квантовой электроники и может быть использовано в качестве активных сред низкопороговых твердотельных лазеров инфракрасного диапазона с оптической накачкой, в устройствах для отображения знаковой, графической и телевизионной информации, а также в качестве сцинтилляторов.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к химической технологии производства рентгенолюминофоров для рентгенодиагностики. .

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к производству рентгенолюминофоров для усиливающих рентгеновских экранов. .

Изобретение относится к квантовой оптике и может быть использовано в светотехнике, медицинском и электронном приборостроении. .

Изобретение относится к материалам квантовой электроники и может найти применение в качестве активных сред низкопороговых твердотельных лазеров с оптической накачкой, в устройствах информатики для отображения информации.

Изобретение относится к химии и технологии материалов, преобразующих электромагнитное излучение. Оно используется для получения селективно поглощающих или пропускающих электромагнитное излучение и люминесцирующих металлсодержащих полимерных композиций для светотехники, опто- и микроэлектроники.

Изобретение относится к технологии получения вольфрамата свинца в ионных расплавах и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений высоких энергий, работающих в условиях высоких дозовых нагрузок в трактах регистрации, требующих высокого временного разрешения. Исходные компоненты, взятые в эквивалентных количествах, смешивают и тщательно перетирают в ступке, загружают в платиновый тигель и опускают в шахтную печь, температуру в которой поднимают постепенно до 550-600°C, и выдерживают 1 ч. Расплав выливают на стальную подложку, после охлаждения тщательно перетирают в ступке и отмывают PbWO4 от шлака в горячей воде в течение 20 мин, затем отфильтровывают, промывая водой. Полученный порошок PbWO4 просушивают при 300°С, а затем прокаливают при 500°C. Технический результат: получение чистого вольфрамата свинца, сокращение времени процесса синтеза и энергозатрат. 3 пр.

Наверх