Стекло для изготовления градиентных трансляторов изображения методом ионного обмена

 

Использование: для изготовления градиентных трансляторов изображения для жестких медицинских эндоскопов методом ионообменной диффузии в расплавах солей. Сущность изобретения: стекло для градиентных трансляторов содержит в мол. %: оксид кремния 56-63 БФ SiO2, оксид лития 10-16 БФ Li2O, оксид натрия 10-12 БФ Na2O, оксид циркония 8-11 БФ ZrO2, оксид сурьмы 0,1-0,5 БФ Sb2O3, R'O 2-5, где R'- Mg, Ca, Zn, Ba, Sr, Pb, R"O 0,5-3, где R" - La, Ge, Ti, Ta, Nb, W. Коэффициент преломления стекла 1,52 - 1,61, температура обработки в расплаве солей натрия, oC 580 - 700. 2 табл.

Изобретение относится к стекольной промышленности и оптотехнике, точнее к составам оптических стекол, предназначенных для изготовления методом ионообменной диффузии в расплавах солей градиентных трансляторов изображения для жестких медицинских эндоскопов.

Известен состав стекла для изготовления световодов путем ионной обработки заготовок из него в расплавах солей. Указанное стекло содержит следующие компоненты, мас.

SiO2 11,3 56,8; B2O3 9,4 17,4; Al2O3 4,8 5,1; Li2O 2,3 7,1; Na2O 0,8 5,1; As2O3 0,5 0,6; GeO2 15,8 65,7.

Стекло варят при 1450oC. Из готового стекла получают цилиндрические полуфабрикаты, которые затем подвергают высокотемпературному ионному обмену - обработке в расплаве соли нитрата натрия при температуре 550oC в течение 100 ч. Полученные таким образом готовые световоды (градиентные трансляторы изображения) имеют перепад показателя преломления от оси к поверхности элемента "n" от 0,006 до 0,01 при показателе преломления: 1,50 1,63. При длине транслятора изображения 60 мм он имеет разрешающую способность равную 200 линий/мм. Среднеквадратичная волновая аберрация = 0,15 . Максимальная волновая аберрация Dm = 0,4 где средняя длина волны видимого света 550 нм.

Однако изобретение имеет ряд существенных недостатков. Главный из них - относительно малая длина транслятора, не превышающая 60 мм. Попытки увеличить длину транслятора до 100 мм и более приводят к резкому ухудшению качества изображения, так как аберрации возрастают до следующих величин: D > 0,25 , m > 0,9 При таком уровне аберраций изображение становится трудно различимым.

По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к заявляемому относится изобретение прототип.

Используемый состав стекла для изготовления элементов методом ионного обмена включает в себя следующие компоненты, мол.

SiO2 60 78 Li2O 2 24 Na2O 6 16 ZrO2 5 13
Sb2O3 0,1 1,0
NaCl 2 5
GeO2 0,1 0,5
Стекло варят в печи в кварцевых емкостях, объемом 8 л, установленных в шамотный сосуд. Варку и осветление проводят при 1500-1550oC.

Из полученного стекла изготавливают заготовки трансляторов диаметром до 16 мм, которые затем подвергают обработке в расплаве солей натрия, например NaCl + Na2SO4 при температуре 670-700oC в течение 2-5 ч.

В результате получают градиентный транслятор изображения, который представляет собой стеклянный цилиндр диаметром до 16 мм и длиной до 100 мм.

Уровень среднеквадратичной волновой аберрации при этом составляет: = 0,1 максимальной Dm = 0,4 Разрешающая способность транслятора не превышает 200 линий/мм. Коэффициент преломления n 1,59, при его перепаде от оси к поверхности элемента: n 0,007.

Однако изобретение также имеет ряд существенных недостатков. Так, например, градиентный транслятор изображения имеет относительно малую длину, не превышающую 100 120 мм. При увеличении длины транслятора более 150 мм изображение практически не различимо из-за высоких аберраций:

Целью предлагаемого изобретения является получение стекла, которое позволяет изготовить из него повышенной длины градиентные трансляторы с высоким качеством изображения.

Цель достигается тем, что к известному составу стекла, включающему оксиды кремния, лития, натрия, циркония, сурьмы, вносят структурно-технологическую добавку, содержащую один или несколько оксидов металлов, взятых из ряда: MgO; BaO; CaO; ZnO; SrO; PbO, а также одновременно один или несколько оксидов металлов из ряда La2O3; GeO2; TiO2; Ta2O5; Nb2O5; WO3.

Сущность изобретения состоит в том, что предложенная нами первая добавка позволяет снизить температуру варки стекла и осуществлять технологический процесс при температуре, не превышающей 1450oC. Поэтому добавка называется "технологической". С другой стороны, введение оксидов металлов, входящих во вторую добавку, позволяет изменять структуру стекла. Изменение структуры стекла отражается на оптических и ионообменных свойствах трансляторов изображения. Поэтому предложенная нами добавка называется также "структурной". Нами было обнаружено и экспериментально подтверждено, что количество добавки, а также окислов металлов, входящих в добавку, позволяет получать оптимальные оптические свойства трансляторов изображения, несмотря на зависимость их оптических свойств от длины транслятора.

Известно, что высокое качество изображения достигается, если максимальная волновая аберрация m удовлетворяет критерию Релея: где средняя длина волны видимого света 550 нм.

В качестве другого критерия высокого качества изображения используют среднеквадратичную волновую аберрацию " D ". Она должна удовлетворять следующему критерию: D 0,07
Предложенная нами структурно-технологическая добавка позволяет изготовить трансляторы изображения длиной 150-400 мм при резком уменьшении аберраций по сравнению с прототипом, т.е. с высоким качеством изображения при максимальных длинах транслятора.

Нижеследующие примеры иллюстрируют изобретение.

Пример 1. (табл. 1) Опытное стекло варили в платиновом сосуде емкостью 6 литров в печи с электронагревателем при температуре осветления стекло массы 1430oC. Шихта содержала следующие ингредиенты в мол.

SiO2 60,0
ZrO2 10,5
Li2O 10,5
Na2O 12,5
Sb2O3 0,5
и структурно-технологическую добавку мол.

CaO 2,0
PbO 1,5
La2O3 2,5
При составлении шихты использовались следующие реактивы: аморфный кремнезем, диоксид циркония, углекислый литий, углекислый натрий, углекислый кальций, нитрат свинца, триоксид сурьмы, триоксид лантана.

Из полученного стекла изготавливались цилиндры диаметром 0,8 мм и длиной 200 мм, которые затем обрабатывались в смеси солей лития и натрия при температуре 610oC. В результате получен градиентный транслятор изображения, оптические свойства которого приведены в табл. 2.

Пример 2-6. В условиях примера 1 получены стекла, состав которых приведен в табл. 1. На основе приготовленных в опытах 2 6 стекол были изготовлены градиентные трансляторы изображения, параметры и оптические свойства которых приведены в табл. 2.

Пример 7. В условиях прототипа изготовлено стекло при следующем соотношении компонентов, мол.

SiO2 60,0
Li2O 14,0
Na2O 12,5
ZrO2 10,0
Sb2O3 1,0
NaCl 2,0
СеО2 0,5
Процесс варки протекал при 1550oC. Из полученного стекла были изготовлены заготовки трансляторов, которые затем обрабатывали в расплаве солей Na2SO4 + NaCl при 690oC в течение 2 ч. Диаметр заготовок 3 мм, длина 80 мм и 300 мм. Параметры и оптические свойства градиентных трансляторов изображения приведены в табл. 2.

Пример 8. В условиях примера 7 изготовлено стекло при следующем соотношении компонентов, мол.

SiO2 78,0
Li2O 5,4
Na2O 6,0
ZrO2 5,0
Sb2O3 0,1
NaCl 5,0
СеО2 0,5
Процесс варки протекал при 1500oC. Диаметр заготовки транслятора 3 мм при длине 40 и 200 мм. Обработку заготовок проводили в расплаве солей Na2SO4 + NaCl в течение 2,5 ч при 700oC. Параметры и оптические свойства готовых градиентных трансляторов изображения приведены в табл. 2.

Из данных, представленных в табл. 1 и 2, видно, что на основе стекла, известного по прототипу, были изготовлены трансляторы (оп. 7 и 8), длина которых составляла 80; 300; 40 и 200 мм (табл. 2, п.3). Из данных п.4 табл. 2 видно, что при длине трансляторов 80 и 40 мм качество изображения удовлетворительное Dm 0,30 и 0,5 соответственно. Это следует из п.5 данной таблицы, характеризующей волновую среднеквадратичную аберрацию, которая должна быть: 0,07 Однако при попытке увеличить длину трансляторов, полученных в условиях прототипа, до 300-200 мм изображение практически не различается, а D = 0,35-1,2 и m = 0,8-4,0 соответственно.

Опыты 1-6 свидетельствуют, что при использовании одного или нескольких оксидов металлов в качестве предложенной нами добавки из ряда: MgO, CaO, ZnO, BaO, SrO в количестве 2 oC 5 мол. и одновременно одного или несколько оксидов металлов из ряда La2O3; GeO2; TiO2; Ta2O5; Nb2O5; WO3 в количестве 0,5 3 мол. удается достичь поставленной цели: получить градиентные трансляторы с высоким качеством изображения и высокой разрешающей способностью (более 200 линий/мм), при m = 0,15-0,25 и = 0,04-0,07 и длине трансляторов в пределах 200 400 мм. Так, например, в оп. 5, длина транслятора составляет 300 мм при толщине 2,5 мм, = 0,06 и разрешающей способности 300 линий/мм. Разрешающая способность (качество изображения) транслятора по оп.5 превышает качество изображения для трансляторов из оп. 7 в 7 раз.

Использование оксидов металлов из ряда MgO, CaO. PbO в концентрации менее 2% (мол. ) не позволяет снизить температуру варки стекла до 1450oC и ниже. Использование указанных оксидов в количестве, большем, чем 5 мол. не дает положительного эффекта.

Использование оксидов металлов из ряда La2O3, WO3 в количестве менее 0,5 мол. практически мало влияет на изменение оптических свойств трансляторов. Использование их в количествах, больших чем 3 мол. отрицательно сказывается на оптических свойствах трансляторов, удорожает их стоимость. Оптимальный диапазон концентраций для оксидов металлов, взятых в виде одного или нескольких оксидов из ряда: MgO, CaO. PbO находится в пределах 2 5 мол.

Оптимальный диапазон концентраций из оксидов металлов, взятых в виде одного или нескольких оксидов из ряда: La2O3; GeO2; TiO2; WO3 находится в пределах 0,5 3 мол.

Введение в состав стекла указанной структурно-технологической добавки в указанных оптимальных концентрациях позволило нам достичь поставленной цели: получить градиентные трансляторы изображения требуемой длины с высоким качеством изображения.

Предложенный нами состав стекла для получения градиентных трансляторов изображения не требует повышенных энергетических затрат на стадии варки стекла и его обработки в расплаве солей. Положительный экономический эффект достигается при продаже медицинских эндоскопов, использующих трансляторы, изготовленные на основе предложенной рецептуры стекла и обеспечивающие высокое качество изображения исследуемого органа с любой глубины его нахождения в теле пациента.


Формула изобретения

Стекло для изготовления градиентных трансляторов изображения методом ионного обмена, включающее SiO2, Li2O, Na2O, ZrO2, Sb2O3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит один или несколько оксидов металлов R' и один или несколько оксидов металлов R''O при следующем соотношении компонентов, мас.

SiO2 56 63
Li2O 10 13
Na2O 10 12
ZrO2 8 11
Sb2O3 0,1 0,5
R'O, где R' Mg, Ca, Zn, Ba, Sr, Pb 2 5
R''O, где R'' La, Ge, Ti, Ta, Nb, W 0,5 3,0с

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Стекло // 2073657

Стекло // 2016857

Стекло // 1770298

Стекло // 1770297

Стекло // 1701658
Изобретение относится к производству оптических оксидных стекол, активированных полупроводниковыми соединениями и предназначенных для использования в качестве светофильтров и элементов лазерной техники

Стекло // 1678786
Изобретение относится к производству оптических оксидных стекол, активированных полупроводниковыми соединениями и предназначенных для использования в качестве светофильтров и элементов лазерной техники

Стекло // 1678785
Изобретение относится к производству оптических оксидных стекол, активированных полупроводниковыми соединениями и предназначенных для использования в качестве светофильтров и элементов лазерной техники
Стекло // 2303573
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составам стекла, которое может быть использовано для изготовления смотровых окон тепловых агрегатов, изделий хозяйственно-бытового назначения
Изобретение относится к области технологии силикатов и касается составов стекла для световых рассеивателей, используемых в производстве осветительных приборов
Стекло // 2311355
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составам стекла, которое может быть использовано для изготовления деталей светотехнических приборов, сортовой посуды, тарных изделий для парфюмерной промышленности
Изобретение относится к составу стекла для смотровых окон промышленных установок, работающих в условиях высоких давлений, температур и со щелочными или углеводородными средами
Стекло // 2320554
Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к составам стекла, которое может быть использовано в приборостроении, светотехнике
Стекло // 2320555
Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к составам стекла, используемого, преимущественно, в приборостроении
Изобретение относится к технологии силикатов и касается составов бариевого хрустального стекла, которое может быть использовано для изготовления световых рассеивателей, изделий декоративно-художественного назначения, сортовой посуды
Стекло // 2328460
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составам стекла, которое может быть использовано в производстве световых рассеивателей, витражей, изделий декоративно-художественного назначения
Стекло // 2358923
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам стекол, которые могут быть использованы для изготовления бисера, бижутерии
Наверх