Способ получения поликристаллического ортогерманата висмута



Способ получения поликристаллического ортогерманата висмута
Способ получения поликристаллического ортогерманата висмута
C01P2004/62 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)

Владельцы патента RU 2659268:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) (RU)

Изобретение относится к материалам для сцинтилляционной техники, к эффективным быстродействующим сцинтилляционным детекторам гамма- и альфа-излучений в приборах для экспресс-диагностики в медицине, промышленности, космической технике и ядерной физике. Предложен способ получения поликристаллического ортогерманата висмута с субмикронным размером зерен, характеризующегося наличием единственной компоненты сцинтилляции с постоянной времени высвечивания не более 50 нс, включающий смешивание реагентов - водного раствора нитрата висмута Bi(NO3)3⋅5H2O и оксида германия GeO2 - в стехиометрическом соотношении Bi/Ge - 4:3, добавление к полученной суспензии водного раствора аммиака (1,7-8М) и последующую гидротермально-микроволновую обработку при температуре 140-220°С в течение 0,5-2 часов в тефлоновом автоклаве объемом, в 2-4 раза превышающим объем суспензии. Изобретение позволяет синтезировать перспективный материал для создания высокочувствительных детекторов с высокой скоростью счета событий. 2 ил., 5 пр.

 

Изобретение относится к получению материалов для сцинтилляционной техники, прежде всего к эффективным быстродействующим сцинтилляционным детекторам гамма- и альфа-излучений в приборах для экспресс-диагностики в медицине, промышленности, космической технике и ядерной физике.

Основными требованиями, предъявляемыми к сцинтилляторам, являются быстродействие, то есть малые времена высвечивания (τ); высокая конверсионная эффективность (световой выход L); высокая радиационная стойкость; малое послесвечение и хорошие механические свойства. Особое значение малые времена высвечивания имеют для создания высокочувствительных детекторов с высокой скоростью счета событий. В частности, в флюороскопии, рентгеновской и позитронно-эмиссионной томографии использование сцинтилляторов с улучшенным временным разрешением приводит к повышению качества изображения, улучшает чувствительность детектора и уменьшает времени экспозиции объекта или дозы облучения пациента ["Inorganic scintillators in medical imaging detectors". Carel W.E. van Eijk, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 509 (2003) 17-25]. Монокристаллический сцинтиллятор ортогерманат висмута Bi4Ge3O12, сокращенно обозначаемый в научной литературе как BGO, обладает рядом достоинств. К ним относятся большая плотность (7,13 г/см3), высокий эффективный атомный номер (Zэф 73), малая радиационная длина (1,13 см), достаточно большая длина волны максимума спектра излучения (λ=480 нм), позволяющая использовать BGO как с фотоэлектронными умножителями, так и с фотодиодами, негигроскопичность, повышенная химическая, термическая и радиационная стойкость.

Известны способы выращивания монокристаллов этого состава из расплава оксидов Bi2O3-GeO2 стехиометрического состава методами Чохральского [SU 1789578], зонной плавки, Бриджмена или в гидротермальных условиях [RU 1266248, US 9518219].

Недостатком монокристаллического BGO является большая величина постоянной времени высвечивания сцинтилляционного импульса, составляющая при комнатной температуре порядка 300 нс, что не позволяет использовать его в новейших 3D позитронно-эмиссионных томографах.

Наиболее близким по достигнутым результатам является техническое решение по патенту RU 2031987, в котором заявлен быстрый сцинтиллятор, представляющий собой монокристаллический BGO, активированный иттербием (Yb) в концентрациях 0,07-1,50 мас. %. Авторами был синтезирован материал, кривая высвечивания которого описывалась двухэкспоненциальной зависимостью, причем значение постоянной времени высвечивания короткой составляющей сцинтилляционного импульса равнялось τ=16 нс.

Существенным недостатком полученного материала является наличие медленной компоненты, на которую приходилось 30% от суммарной энергии сцинтилляционного импульса. Доля энергии, высвечиваемой в быстрой компоненте, составляла всего 70%. К тому же иттербий обладает собственным радиационным фоном, вносящим помехи при детектировании малых потоков ионизирующего излучения.

Общим недостатком монокристальных сцинтилляторов BGO являются большие трудо-, время- и энергозатраты, связанные с процессом их получения. Кроме того, тенденция к миниатюризации современных приборов и потребность в матричных изображающих детекторах порождает новые требования к их размерам и формам. Удовлетворить им успешно могут недорогие (по сравнению с монокристаллами) керамические сцинтилляторы, для создания которых необходимы высокодисперсные порошки BGO.

Изобретение направлено на изыскание способа получения высокодисперсных порошков BGO, характеризующихся наличием единственной компоненты сцинтилляции с постоянной времени высвечивания не более 50 не.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения поликристаллического ортогерманата висмута с субмикронным размером зерен, характеризующегося постоянной времени высвечивания не более 50 нс, включающий смешивание реагентов - водного раствора нитрата висмута Bi(NO3)3⋅5H2O и оксида германия GeO2 - в стехиометрическом соотношении Bi/Ge - 4:3, добавление к полученной суспензии водного раствора аммиака (1,7-8 М) и последующую гидротермально-микроволновую обработку при температуре 140-220°С в течение 0,5-2 часов в тефлоновом автоклаве объемом, в 2-4 раза превышающим объем суспензии.

Выбранные реагенты, их концентрации, растворители и соотношения обеспечивают образование гомогенных систем, в которых проходят реакции образования однородных по фазовому составу и размеру порошков ортогерманата висмута.

Применение растворов аммиака в концентрации меньше 1.7 М не позволяет получать однофазные образцы BGO. Верхняя граница 8 М определяется концентрацией NH3 в коммерческом реактиве.

Выбор температуры системы в процессе гидротермально-микроволнового воздействия выше 140°С определяется нижней температурной границей образования BGO, а верхний предел 220°С определяется верхней температурной границей использования тефлонового автоклава.

Продолжительность гидротермально-микроволнового воздействия обусловлена тем, что время менее 0.5 ч не позволяет осуществить полное прохождение реакции образования BGO, а свыше 2 ч нецелесообразно ввиду полного завершения к этому времени кристаллизации BGO и отсутствия изменений в морфологии синтезированного порошка при увеличении времени воздействия.

Отношение объема автоклава к объему суспензии, определяющее степень заполнения автоклава, устанавливалось с учетом разрешенного верхнего предела заполнения автоклава 50%, т.е. более 2 раз для объемных отношений. Нижняя граница - 25% (4 раза) определялась тем, что снижение уровня заполнения автоклава приводит к уменьшению рабочего давления внутри автоклава и реакция образования BGO не идет.

Сущность изобретения заключается в том, что использование гидротермально-микроволнового метода позволило оптимизировать условия синтеза высокодисперсных порошков BGO, характеризующихся наличием единственной компоненты сцинтилляции с постоянной времени высвечивания не более 50 не.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими прилагаемыми иллюстрациями:

Фиг. 1. Экспериментальная и расчетная дифрактограммы BGO, синтезированного по примеру 1.

Совпадение кривых свидетельствует об однофазности образца и истинности фазового состава синтезированного образца.

Фиг. 2. Кинетика затухания сцинтилляций порошка, синтезированного по методике из примера 1, (а) и образца, полученного растиранием монокристалла BGO, (б).

На рисунках приведены результаты экстраполяции экспериментальных кривых по одноэкспоненциальному закону y=A1exp(-x/t1)+y0, t1 - постоянная времени высвечивания. Наилучший результат экстраполяции достигнут для значений постоянной времени высвечивания t1~11 нс в случае образца, синтезированного по заявленному способу, и t1~327 нм для образца, полученного растиранием монокристалла BGO.

Достижение заявленного технического результата подтверждается следующими примерами. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенное техническое решение.

Пример 1. Нитрат висмута Bi(NO3)3⋅5H2O и оксид германия GeO2 брали в стехиометрическом соотношении Bi/Ge - 4:3. Навески Bi(NO3)3⋅5H2O (1,8 ммоль) и GeO2 (1,2 ммоль) суспензировали в 10 мл дистиллированной воды и перемешивали на магнитной мешалке 10-15 мин. Затем к суспензии прибавляли 7 мл раствора аммиака (ГОСТ №24147-80) и доводили общий объем смеси дистиллированной водой до 50 мл. Суспензию поместили в тефлоновый автоклав объемом 100 мл. Гидротермально-микроволновую обработку (ГТМВ) проводили на установке Berghof Speedwave MWS-3+. Время обработки 2 ч, температура -200°С.

Полученные в данных условиях образцы представляли собой однофазные порошки BGO (Фиг. 1), характеризующиеся единственной компонентой сцинтилляции с постоянной времени высвечивания импульса порядка 11 нс (Фиг. 2а) при 90% сцинтилляционной эффективности (световой выход относительно образца, полученного из монокристаллического BGO). Для определения сцинтилляционной эффективности в качестве эталона использовали порошок, полученный растиранием монокристалла BGO в ступке до размера частиц 10-50 мкм. Длительность высвечивания перетертого монокристалла BGO составила 327 нс (Фиг. 2б).

Пример 2. По примеру 1, отличающийся тем, что вместо 7 мл добавляли 10 мл раствора аммиака и доводили общий объем смеси дистиллированной водой до 50 мл. Полученные в данных условиях образцы представляли собой однофазные порошки BGO, характеризующиеся единственной компонентой сцинтилляции с постоянной времени высвечивания импульса 20 нс при 90% сцинтилляционной эффективности относительно перетертого монокристалла BGO.

Пример 3. По примеру 1, отличающийся тем, что ГТМВ обработку проводили при температуре 170°С и времени обработки -1 ч. Полученные в данных условиях образцы представляли собой однофазные порошки ВGO, характеризующиеся наличием единственной компоненты сцинтилляции с постоянной времени высвечивания импульса 49 нс при 70% сцинтилляционной эффективности.

Пример 4. По примеру 1, отличающийся тем, что вместо 7 мл добавляли 30 мл раствора аммиака. Полученные в данных условиях образцы представляли собой однофазные порошки BGO, характеризующиеся единственной компонентой сцинтилляции с постоянной времени высвечивания импульса 47 нс при 70% сцинтилляционной эффективности относительно перетертого монокристалла BGO.

Пример 5. По примеру 4, отличающийся тем, что синтез проводили при температуре 140°С и заполнении автоклава 30%. Полученные в данных условиях образцы представляли собой однофазные порошки BGO, характеризующиеся единственной компонентой сцинтилляции с постоянной времени высвечивания импульса 50 нс при 100% сцинтилляционной эффективности относительно перетертого монокристалла BGO.

Положительный эффект, достигнутый при синтезе в гидротермальных условиях при микроволновом воздействии состоит в том, что полученный сцинтилляционный материал (Примеры 1-5) обладает малым временем высвечивания сцинтилляционного импульса, составляющим τ=11-50 нс, т.е. на порядок меньшим, чем у монокристаллического BGO, причем медленная компонента затухания отсутствует. Полученный по заявленному способу материал является перспективным для создания высокочувствительных детекторов с высокой скоростью счета событий.

Заявленный способ обладает следующими преимуществами:

позволяет синтезировать быстрый сцинтилляционный материал с постоянной времени высвечивания τ=11-50 нс;

позволяет проводить синтез при температурах 140-220°С, что существенно ниже температуры выращивания монокристаллов из расплава (1000°С и выше);

не требует применения сложного и дорогостоящего оборудования, например платиновых тиглей;

субмикронный размер зерен получаемого порошка BGO позволяет использовать его для изготовления сцинтилляционной керамики и композитов.

Способ получения поликристаллического ортогерманата висмута с субмикронным размером зерен, характеризующегося наличием единственной компоненты сцинтилляции с постоянной времени высвечивания не более 50 нс, включающий смешивание реагентов - водного раствора нитрата висмута Bi(NO3)3⋅5H2O и оксида германия GeO2 - в стехиометрическом соотношении Bi/Ge - 4:3, добавление к полученной суспензии водного раствора аммиака (1,7-8М) и последующую гидротермально-микроволновую обработку при температуре 140-220°C в течение 0,5-2 часов в тефлоновом автоклаве объемом, в 2-4 раза превышающим объем суспензии.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологическим процессам, касающимся выделения из растворов солей в виде кристаллической массы, и предназначено для нереагентного изменения способности кристаллогидратов металлов регулировать инициирование зародышей и таким образом управлять числом зародышей и размерами выделяющихся кристаллов..

Изобретение относится к скоростному росту кристаллов из раствора. Устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора содержит герметичный кристаллизатор 3, установленную внутри него ростовую камеру 1 прямоугольного сечения с затравочным кристаллом 2 и систему подачи раствора к кристаллу 2, включающую неперемещающийся насос 5 для подачи насыщенного раствора в зону роста кристалла 2 и расположенную над растущей поверхностью кристалла 2 пластину 6, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении и постепенного движения вверх по мере роста кристалла, имеющую ширину и длину меньше ширины и длины ростовой камеры 1, так что между пластиной 6 и стенками камеры 1 есть щели, соединенную с приводом 7 не менее чем одной штангой 8 изменяемой длины с узлом крепления 9 к пластине 6, позволяющим изменять угол между пластиной 6 и штангой 8.

Изобретение относится к химической промышленности. Способ кристаллизации белков предусматривает подготовку исходных растворов белка в буфере, фильтрование полученного раствора, центрифугирование и заполнение раствором капилляров.

Изобретение относится к кристаллическим коллоидным массивам, используемым в качестве материалов, рассеивающих излучение. Описана композитная, отражающая и поглощающая излучение композиция, включающая множество коллоидных кристаллов или агрегатов коллоидных кристаллов, где каждый упомянутый кристалл содержит отражающие излучение частицы в виде коллоидного массива и поглощающие излучение частицы, диспергированные в кристаллах.

Изобретение относится к технологии выращивания водорастворимых оптических монокристаллов группы дигидрофосфата калия (KDP), которые могут быть использованы, например, при изготовлении активных элементов параметрических преобразователей лазерного излучения для квантовой оптики.

Изобретение относится к новой кристаллической модификации (R)-ДОФХ, которая может использоваться в фармацевтической промышленности. Предложена новая кристаллическая форма ДОФХ и способ ее получения, а также ее применение в качестве компонента при получении лекарственных средств.

Изобретение относится к устройствам для кристаллизации белковых макромолекул в наземных условиях и условиях микрогравитации (в космосе). Микрофлюидное устройство содержит емкости с растворами различных белков 7, 9, 11 и осадителей 8, 10, 12, попарно подключенные через отдельные каналы 2, 3, 4, в которых установлены микрозатворы 13, к кристаллизационным камерам, при этом каналы 2, 3, 4 подключены к одному трубчатому элементу 1, внутри которого формируют отдельные кристаллизационные камеры 20-28 для каждого из белков, один конец трубчатого элемента 1 соединен через микрозатвор 16 с микронасосом 15, подающим из резервуара 14 в полость трубчатого элемента 1 рабочую среду 19, служащую для разделения полостей кристаллизационных камер 20-28, а другой конец трубчатого элемента 1 соединен со сборником 17 рабочей среды 19, причем для подачи растворов белков и осадителей через отдельные каналы 2, 3, 4 в кристаллизационные камеры 20-28 применяют отдельные микронасосы 5, 6, функционирующие по индивидуальным программам.

Изобретение относится к технологии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано в детонаторах и других взрывных устройствах, использующих процесс перехода горения ВВ во взрыв.

Изобретение относится к технике, связанной с выращиванием кристаллов из пересыщенных водных растворов, и может быть использовано при скоростном выращивании профилированных кристаллов (например, типа KH2PO4, KD2PO4 , Ва(NO3)2 и др.).

Изобретение относится к технологии переработки кальций- и кремнийсодержащих техногенных отходов борного производства (борогипса) и может быть использовано при производстве игольчатого волластонита для применения в цветной металлургии, в шинной, асбоцементной и лакокрасочной промышленности, в производстве керамики.

Изобретение относится к области материаловедения, а именно к получению нового сложного оксида со структурой силленита, который является перспективным материалом для различных акусто- и оптоэлектронных устройств: пьезодатчиков, фильтров и линий задержки электромагнитных сигналов, электро- и магнитооптические измерителей напряженности полей, пространственно-временных и магнитооптических модуляторов.
Изобретение относится к производству синтетических кристаллов, в частности к способам получения кристаллов оксида цинка, используемого в различных областях электронной техники, где использование кварца невозможно или ограничено и может применяться в функциональной пленочной электронике, пьезотехнике и акустоэлектронике.

Изобретение относится к технологии изготовления детали из искусственного кварца для применения в качестве оптического элемента для ArF-литографии, подлежащего облучению лазерным светом, имеющим длину волны 200 нм или короче.

Изобретение относится к технологии выращивания оптических кристаллов, в частности монокристаллов кварца, используемого в радиоэлектронике, оптоэлектронике и оптике.
Изобретение относится к производству синтетических кристаллов, в частности к способам получения кристаллов оксида цинка, которые могут быть использованы в пьезотехнике, акустооптоэлектронике и других областях науки и техники.

Изобретение относится к средствам для выращивания монокристаллов из раствора с использованием растворителя и применением давления, в частности монокристаллов кварца гидротермальным методом на затравку, и может быть использовано в химической промышленности.

Изобретение относится к средствам для выращивания кристаллов кварца в гидротермальных условиях методом температурного перепада, в частности к конструкции диафрагм (перегородок) между зонами растворения шихты и роста кристаллов в автоклавах.

Изобретение относится к способам искусственного синтеза монокристаллов алмаза - как с заранее заданными физическими свойствами: полупроводниковыми, люминесцентными, цветными и т.п., так и без примесей с высокой оптической прозрачностью.

Изобретение относится к технологии формирования упорядоченных структур на поверхности твердого тела и может быть использовано для получения нитевидных кристаллов из различных материалов, пригодных для термического испарения.

Изобретение относится к материалам для сцинтилляционной техники, к эффективным быстродействующим сцинтилляционным детекторам гамма- и альфа-излучений в приборах для экспресс-диагностики в медицине, промышленности, космической технике и ядерной физике. Предложен способ получения поликристаллического ортогерманата висмута с субмикронным размером зерен, характеризующегося наличием единственной компоненты сцинтилляции с постоянной времени высвечивания не более 50 нс, включающий смешивание реагентов - водного раствора нитрата висмута Bi3⋅5H2O и оксида германия GeO2 - в стехиометрическом соотношении BiGe - 4:3, добавление к полученной суспензии водного раствора аммиака и последующую гидротермально-микроволновую обработку при температуре 140-220°С в течение 0,5-2 часов в тефлоновом автоклаве объемом, в 2-4 раза превышающим объем суспензии. Изобретение позволяет синтезировать перспективный материал для создания высокочувствительных детекторов с высокой скоростью счета событий. 2 ил., 5 пр.

Наверх