DE4004017A1 - Strahlungsabschirmungsglas - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlungsab­ schirmungsglas eines SiO₂-PbO-CeO₂-Typs zur Verwendung als Fensterglas eines Bestrahlungsraumes in einer Atom­ energie-Forschungseinrichtung, einem Isotopen-Laborato­ rium oder dergleichen.

Es ist bekannt, daß Schwermetall, wie z.B. Blei, in der Lage ist, Strahlung oder Gammastrahlen (γ-Strahlen) zu absorbieren oder abzuschirmen. Daher besitzt das SiO₂-PbO-Glas, das einen großen Anteil an PbO enthält, eine hohe Strahlungsabschirmungsfähigkeit, und es kann für das oben beschriebene Fensterglas benutzt werden. Das Glas neigt jedoch dazu, durch Bestrahlung von Strah­ lungs-Strahlen, wie z.B. Gammastrahlen, braun oder dun­ kel zu werden, so daß die Lichtdurchlässigkeit stark reduziert ist. Um das Bräunen (Braunwerden) durch Be­ strahlung der Strahlungs-Strahlen zu verhindern, ist es aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, daß CeO₂ in dem SiO₂-PbO-Glas enthalten ist.

Die Verwendung von CeO₂ in einem erhöhten Anteil redu­ ziert die Lichtdurchlässigkeit des Glases durch den in­ newohnenden Färbungseffekt von CeO₂.

JP-B 32-2384, entsprechend US-PS 28 56 303, (Referenz 1) offenbart die Verwendung von K₂O mit 10 bis 25 Gew.­ % in dem SiO₂-PbO-CeO₂-Glas, um eine gewünschte Licht­ durchlässigkeit unter der Bedingung aufrechtzuerhalten, daß CeO₂ mit einem vergleichsweise großen Anteil, wie etwa 0,8 bis 1,8 Gew.-%, enthalten ist. Ein Teil des K₂O kann ersetzt werden durch andere alkalische Ele­ mente wie z.B. Na₂O und Li₂O, falls ein K₂O von 10% oder mehr verbleibt.

Wenn andererseits ein Glas durch einen Strahlungsstrahl bestrahlt wird, dann werden die Elektronen innerhalb des Glases entsprechend dem Compton-Effekt geladen, um ein elektrisches Feld im Glas zu bilden. Wenn die In­ tensität des elektrischen Feldes die dielektrische Durchschlagfestigkeit des Glases übersteigt, dann wird die Ladung rasch entladen. Als ein Ergebnis wird das Glas der Gefahr eines Springens oder Ausbrechens ausge­ setzt. CeO₂ besitzt ebenfalls den Nachteil, daß die Ge­ fahr des Glases durch das Entladen von Elektronen zu springen oder zu brechen erhöht wird. Das Springen des Glases und das Brechen durch die Entladung von Elektro­ nen wird als dielektrischer Durchschlag bezeichnet.

JP-B 46-2586 (Referenz 2) offenbart die Verwendung ei­ ner Kombination von Na₂O mit 4 bis 14 Gew.-% und K₂O mit 2 bis 10 Gew.-% (die Gesamtmenge an Na₂O und K₂O beträgt 6 bis 16%) im SiO₂-PbO-CeO₂-Glas, so daß das oben erwähnte Problem des dielektrischen Durchschlags gelöst wird, selbst wenn der Gehalt des CeO₂ ein ver­ gleichsweise großer Anteil ist, wie z.B. 0,6 bis 1,4 Gew.-%.

Eine Bräunung des in den Referenzen (1) und (2) vorge­ schlagenen Glases durch eine Bestrahlung des Strah­ lungsstrahles wird im Hinblick auf eine erhöhte Be­ strahlung des Strahlungsstrahles nicht ausreichend ver­ hindert.

Wenn eine erhöhte Menge an CeO₂ verwendet wird, um in ausreichender Weise das Bräunen zu verhindern, dann wird das sich ergebende Glas dem dielektrischen Durch­ schlag durch die Elektronenentladung ausgesetzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strahlungsabschirmungsglas zu schaffen, das eine hohe Strahlungsabschirmungsfähigkeit sowie eine verringerte Gefahr des dielektrischen Durchschlages selbst dann be­ sitzt, wenn es eine ausreichende und erhöhte Menge an CeO₂ enthält, um es vor einem Bräunen (Braunwerden) durch Bestrahlung zu schützen.

Das erfindungsgemäße Glas besitzt eine begrenzte Zusam­ mensetzung, die von den Gesichtspunkten der Strahlungs­ abschirmungsfähigkeit, des Nicht-Braunwerdens und des nicht-dielektrischen Durchschlags bestimmt wird. Das Glas enthält eine vorbestimmte Menge an PbO zur Verbes­ serung der Strahlungsabschirmungsfähigkeit sowie CeO₂ in einem erhöhten Anteil von 1,5 Gew.-% oder mehr, z.B. selbst ein Gehalt von 2 Gew.-%, zum Schutz des Glases vor einem Braunwerden durch Bestrahlung. Das Glas ent­ hält einen begrenzten Anteil an Na₂O und K₂O mit der Bedingung, daß der Anteil an Na₂O größer ist als K₂O, um das Glas vor einem dielektrischen Durchschlag zu schützen, mit einem ausreichenden Effekt, das Braunwer­ den durch Bestrahlung zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird ein Strahlungsabschirmungsglas er­ zielt, das im wesentlichen aus den im Anspruch 1 ange­ gebenen Bestandteilen und Mengen besteht.

Dieses Glas ist versehen mit einer erforderlichen Strahlungsabschirmungsfähigkeit, einem Widerstand gegen Bräunung durch Bestrahlung und einem verbesserten di­ elektrischen Durchschlag.

Nachfolgend seien die Gründe beschrieben, warum der An­ teil jeder Glaskomponente der vorliegenden Erfindung auf den beanspruchten Bereich begrenzt ist.

PbO und SiO₂ sind Komponenten, die für ein Glas erfor­ derlich sind, um im selben Ausmaß eine Strahlungsab­ schirmungsfähigkeit zu haben wie eine Struktur für eine Verwendung des Glases als Fensterglas in dieser Struk­ tur.

Die Strahlungsabschirmungsfähigkeit ist abhängig von einer Dichte des Glases, und eine Dichte des Strah­ lungsabschirmungsglases ist als Ausgleich zu der der Struktur erforderlich.

Daher ist SiO₂ in dem Glas mit 40,0% bis 60,0% und PbO mit 25,0 bis 45% enthalten. SiO₂ mit weniger als 40,0% setzt das Witterungsvermögen und die Lichtdurch­ lässigkeit des Glases herab. SiO₂ mit mehr als 60,0% macht die Dichte zu gering und reduziert die Strah­ lungsabschirmungsfähigkeit.

Außerdem reduziert PbO mit weniger als 25,0% ebenfalls die Dichte zu sehr, während PbO mit mehr als 45% den volumetrischen elektrischen Widerstand beträchtlich er­ höht und die Gefahr des dielektrischen Durchschlags er­ höht.

CeO₂ mit 1,5% bis 2,0% wird verwendet, um das Glas in ausreichendem Maße daran zu hindern, braun zu werden. CeO₂ mit weniger als 1,5% bewirkt keinen gewünschten Bräunungseffekt; aber eine Verwendung von CeO₂ mit mehr als 2,0% macht das Glas gelblich (gelbbraun), um die Lichtdurchlässigkeit des Glases beträchtlich herabzu­ setzen.

Na₂O und K₂O sind im Glas als Elemente enthalten, um beim Glas einen dielektrischen Durchschlag und ein Bräunen durch Bestrahlung zu verhindern, wobei 4,5% bis 12,0% Na₂O und 2,0% bis 9,0% K₂O im Glas enthal­ ten sind, wobei jedoch Na₂O/(Na₂O+K₂O) 0,5 bis 0,8 be­ tragen sollte. Dies bedeutet, daß der Anteil an Na₂O größer sein sollte als K₂O.

Wenn Na₂O weniger als 4,5% und wenn K₂O weniger als 2,0% betragen, dann ist der volumetrische elektrische Widerstand des Glases übermäßig groß, um dadurch die Gefahr des dielektrischen Durchschlags zu erhöhen. An­ dererseits sind mehr als 12,0% Na₂O und mehr als 9,0% K₂O nicht erwünscht, weil der Wasserwiderstand des Glases herabgesetzt wird. Wenn außerdem das Na₂O/(Na₂O+K₂O)-Verhältnis kleiner ist als 0,5, dann wird der volumetrische elektrische Widerstand herabge­ setzt, wodurch die Gefahr des dielektrischen Durch­ schlags erhöht wird. Im einzelnen: Ein Na₂/(Na₂O+K₂O)-Ver­ hältnis von 0,25 bringt den volumetrischen elektri­ schen Widerstand auf ein Maximum. Wenn das Verhältnis kleiner ist als 0,2 oder größer als 0,5, dann tritt der dielektrische Durchschlag nicht auf. Wenn andererseits das Na₂O/(Na₂O+K₂O)-Verhältnis kleiner ist als 0,2, dann wird die Bräunung durch q-Strahl-Strahlung er­ höht. Daher sollte das Verhältnis 0,5 oder mehr betra­ gen. Wenn jedoch das Verhältnis auf über 0,8 ansteigt, dann wird die Bräunung durch Bestrahlung erhöht.

B₂O₃ mit weniger als 5% kann dem Glas zugegeben wer­ den, in der Hauptsache zur Regulierung seiner Viskosi­ tät. BaO kann ebenfalls dem Glas zugegeben werden zur Regulierung der Viskosität und zur Verbesserung der di­ elektrischen Abschirmungsfähigkeit, und zwar bis zu ei­ nem Bereich von 10,0%.

Sb₂O₃ sollte im Glas nicht enthalten sein, weil eine Zugabe von Sb₂O₃ das Bräunen durch Bestrahlung ver­ stärkt.

Diese Erfindung sei nachfolgend anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben. Die Tabelle 1 zeigt Zusammensetzungen, eine Bräunung durch die Gam­ mastrahl-Bestrahlung, das Vorhandensein des dielektri­ schen Durchschlags (oder nicht), den Wert des Na₂O/(Na₂O+K₂O)-Verhältnisses sowie eine Dichte von verschiedenen Glasproben (Probegläsern) der vorliegen­ den Erfindung und Vergleichs-Glasproben.

Tabelle 1

Die Nummern 1 bis 10 der Glasproben sind wie folgt zu­ bereitet worden. Zunächst wurde eine Glascharge von je­ der der Nr. 1 bis 10 der Tabelle zubereitet, dann in einen Platintiegel eingegeben und bei 1440°C während 4 Stunden geschmolzen. Um homologe Gläser zu erzielen, wurde das geschmolzene Glas mit einem Platinrührstab gerührt, um Blasen zu entfernen, und in eine Vertiefung (Hohlraum) gegossen, um ein Probeglas zu bilden. Das erhaltene Probeglas wurde Tests ausgesetzt, um die Bräunung durch Bestrahlung, den dielektrischen Durch­ schlag und die Dichte zu untersuchen.

Als ein Ergebnis waren die erfindungsgemäßen Probeglä­ ser der Nr. 1 bis 6 geringer in der Bräunung durch Be­ strahlung des Gammastrahls, und für sie bestand keine Gefahr des dielektrischen Durchschlags. Nr. 7 war ein Vergleichs-Probeglas gemäß Referenz (2), das beträcht­ lich gebräunt wurde durch die Gammastrahl-Bestrahlung, aufgrund des geringeren Gehalts an CeO₂. Die Ver­ gleichsprobegläser Nr. 8 und 9 waren dem dielektrischen Durchschlag ausgesetzt. Dies geschah, weil der Wert von Na₂O/(Na₂O+K₂O) nicht mehr als 0,5, nämlich 0,44 be­ trägt. Außerdem wurde jedem Probeglas bestätigt, daß es einen Dichteausgleich zu einer Struktur besitzt, die Fensterglas verwendet.

Die Bräunung in Tabelle 1 zeigt eine Durchlässigkeits­ differenz des Probeglases von ein Zentimeter Dicke für ein Licht von 590 nm Wellenlänge vor und nach einer Be­ strahlung von einem Co-60 Gammastrahl mit 10 R (Röntgen). Das Glas wurde zuvor optisch poliert.

Der dielektrische Durchschlagtest wurde ausgeführt durch Bestrahlen des optisch polierten Probeglases von 100 mm³ durch einen Co-60 Gammastrahl mit 10⁶ R und dann durch Aufprall darauf durch Fallenlassen eines Ge­ wichts von 730 Gramm von einer Höhe von 38 mm. Der Test wurde bei fünf Stücken von jedem Probeglas durchge­ führt. Wenn der dielektrische Durchschlag in einem oder in mehreren Stücken beobachtet wurde, dann wurde der dielektrische Durchschlag als vorhanden = ("ja") be­ stimmt und in der Tabelle 1 für das Probeglas darge­ stellt. Wenn kein dielektrischer Durchschlag für alle fünf Stücke des jeweiligen Probeglases beobachtet wurde, wurde es mit "nein" für den dielektrischen Durchschlag des Glases bezeichnet.

Außerdem wurde die Dichte durch das bekannte Archime­ des-Verfahren gemessen.

Als ein Ergebnis erfüllte das Strahlungsabschirmungs­ glas (Strahlungsschutzglas) gemäß der vorliegenden Er­ findung die erforderliche Strahlungsabschirmungsfähig­ keit, und es verhält sich ausgezeichnet bei der Bräu­ nung durch Bestrahlung und beim dielektrischen Durch­ schlag. Das erfindungsgemäße Glas ist daher vorteilhaft für ein Fensterglas eines Bestrahlungsraumes von Strah­ lungs-Strahlen.

Es sei schließlich noch erwähnt, daß alle erwähnten %-Angaben Gew.-% sind.

Claims (2)

1. Strahlungsabschirmungsglas mit einer hohen Strah­ lungsabschirmungsfähigkeit, einem hohen Widerstand gegenüber Bräunung durch Bestrahlung von Gammastrah­ len und einem reduzierten dielektrischen Durch­ schlag, bestehend im wesentlichen aus 40,0 bis 60,0 Gew.-% SiO₂, 25,0 bis 45,0 Gew.-% PbO, 1,5 bis 2,0 Gew.-% CeO₂, 4,5 bis 12,0 Gew.-% Na₂O, 2,0 bis 9,0 Gew.-% K₂O, 0 bis 5,0 Gew.-% B₂O₃ und 0 bis 10,0 Gew.-% BaO, wobei Na₂O/(Na₂O+K₂O) 0,5 bis 0,8 be­ trägt.

2. Strahlungsabschirmungsglas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (Na₂O+K₂O) 16 Gew.-% oder mehr beträgt.