一种用于制作极化3He气体容器的玻璃及其制作方法
阅读说明：本技术 一种用于制作极化3He气体容器的玻璃及其制作方法 (For making polarization3Glass of He gas container and manufacturing method thereof ) 是由 王欣 吴骏军 吴海平 吴嘉琪 皮耕尉 于 2021-03-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于制作极化～3He气体容器的玻璃及其制作方法,所述玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：SiO-250-75mol％；Al-2O-35-20mol％；MO 15-45mol％；M为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Zn中的一种或多种；其中50mol％＜(SiO-2+Al-2O-3-BaO-CaO-PbO-SrO)＜70mol％；同时65mol％＜(SiO-2+Al-2O-3+MgO+ZnO-BaO-CaO-PbO-SrO)。本发明的技术路线是综合考虑极化～3He容器玻璃的可加工性、退极化以及氦气透过率进行的配方设计,从而得到综合性能优良的极化～3He容器玻璃,使得极化～3He气体的产生、储运以及应用过程更为稳定。(The invention provides a method for making polarization 3 The glass of the He gas container and the manufacturing method thereof are characterized in that the glass is prepared from the following components in percentage by mole: SiO 2 2 50‑75mol％；Al 2 O 3 5-20 mol%; MO 15-45 mol%; m is one or more of Mg, Ca, Sr, Ba, Pb and Zn; wherein 50 mol% < (SiO) 2 +Al 2 O 3 -BaO-CaO-PbO-SrO) < 70 mol%; while 65 mol% < (SiO) 2 +Al 2 O 3 + MgO + ZnO-BaO-CaO-PbO-SrO). The technical route of the invention is healdTaking into account polarization 3 Formulation of processability, depolarization, and helium permeability of He vessel glass to achieve superior combinations of polarization properties 3 He vessel glass to polarize 3 The generation, storage and transportation and application processes of the He gas are more stable.)
技术领域
本发明涉及特种玻璃技术领域，特别涉及一种用于制作极化3He气体容器的玻璃及其制作方法。
背景技术
极化的3He气体已经被证实能应用于多种领域。在中高能核物理实验中，极化3He可以作为理想的有效极化中子靶，产生极化中子。在生命科学领域极化3He同样发挥着重要作用，研究发现，将极化3He应用于磁共振成型可以获得更高质量的器官图像，相应技术逐渐成为临床诊断中新的影像共计。此外，极化3He气体在表面物理、基本对称性检验以及量子陀螺仪等方面都有重要应用。目前获得极化3He主要采用自旋交换光泵浦方法，充有3He、N2和碱金属的极化腔放置于磁场中，利用热空气加热至200℃左右的高温以获得饱和碱金属蒸气，并用激光对其进行照射，从而获得高极化度的3He气体。
玻璃容器在极化3He气体的产生、储运、应用过程中扮演着重要角色。目前用于3He气体玻璃容器常采用硼硅酸盐玻璃以及石英玻璃制造。但石英玻璃密度小，氦气渗透率高，不利于3He气体的存储；极化3He气体在硼硅酸盐玻璃中退极化率很高，不利于3He气体的极化保持。其它较常见的硅酸盐玻璃(如窗玻璃)膨胀系数较大，不利于玻璃容器的热加工
所以，针对现有技术存在的不足，有必要设计一种用于制作极化3He气体容器的玻璃及其制作方法，以解决上述问题。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种用于制作极化3He气体容器的玻璃及其制作方法，该玻璃具较低的极化3He气体退极化率、较小的热膨胀系数以及低的氦气透过率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种用于制作极化3He气体容器的玻璃，所述玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：SiO2 50-75mol％；Al2O3 5-20mol％；MO 15-45mol％；M为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Zn中的一种或多种。
优选的技术方案为：50mol％＜(SiO2+Al2O3-BaO-CaO-PbO-SrO)＜70mol％。
优选的技术方案为：65mol％＜(SiO2+Al2O3+MgO+ZnO-BaO-CaO-PbO-SrO)。
优选的技术方案为：所述玻璃的密度大于2.7g/cm3。
优选的技术方案为：所述玻璃的原子堆积系数不小于0.48。
优选的技术方案为：所述玻璃在100℃下，氦气透过速率比石英玻璃低10000倍以上。
优选的技术方案为：所述玻璃的热膨胀系数小于50×10-7/K。
一种极化3He气体容器玻璃的制作方法，首先，将50-75mol％的SiO2；5-20mol％的Al2O3；15-45mol％的MO进行混料，M为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Zn中的一种或多种；然后，将混料混合均匀后放置在坩埚(铂金)中，并将盛有混料的坩埚放置于1600℃的熔炉中，待混料熔化后对玻璃液进行搅拌；待10小时后，将玻璃液倒入模具，玻璃液定型之后放置于650℃的退火炉中进行退火，得到成品。
由于上述技术方案运用，本发明具有的有益效果为：
本发明的技术路线是综合考虑极化3He容器玻璃的可加工性、退极化以及氦气透过率进行的配方设计，从而得到综合性能优良的极化3He容器玻璃，使得极化3He气体的产生、储运以及应用过程更为稳定。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
极化3He玻璃容器的制作多采用吹制方式，所述玻璃的可加工性是指玻璃是否适合吹制。吹制过程一般是将玻璃加热到软化温度以上，通过气压变化控制玻璃的形变，再进行冷却。由于吹制过程中设计软化温度到室温的急冷急热过程，因此要求玻璃具有较小的热膨胀系数。本发明通过玻璃成分设计对玻璃膨胀系数进行控制，未加入可导致膨胀系数增大的碱金属元素。
3He气体的退极化也称极化弛豫，极化弛豫时间越长则说明极化性能保持得更好。影响3He极化弛豫时间的因素主要包括与其它3He原子的碰撞、磁场的空间梯度以及与极化气体容器内壁的碰撞及磁相互作用等。具体涉及本发明内容则是要求玻璃中不含有过渡金属离子等磁性离子，避免极化3He气体与玻璃的磁相互作用。此外，玻璃中尽可能避免微裂纹的产生，以减少3He气体与玻璃有效作用面积。玻璃中Al元素有六配位和四配位两种形式存在，玻璃裂纹产生过程中，所产生裂纹尖端对应玻璃微结构区域的应力在1Gpa左右，若玻璃中有Al元素，则可以通过Al元素配位数变化释放部分应力，从而避免裂纹的产生。因此，本发明涉及的玻璃中Al2O3含量在5mol％以上，可降低裂纹产生的几率。
已有研究表明氦气透过率与玻璃中形成体含量以及玻璃原子堆积密度有关，一般情况下玻璃中形成体含量越少，玻璃密度以及原子堆积系数越大则氦气透过率越低。若玻璃的分子式可表示为MxOy，则玻璃原子堆积系数V可表达为：
其中ρ为密度，N0为阿伏伽德罗常数，M为玻璃的分子量，r表示离子半径。例如，石英玻璃的密度为2.3g/cm3，原子堆积系数为0.45。考虑玻璃氦气透过率，本发明涉及的玻璃密度大于2.6g/cm3，原子堆积系数大于0.48。
玻璃容器的He气渗透速率K可表示为：
其中Q为He气透过量，Δp为玻璃两侧He气的压力差，A为玻璃面积，d为玻璃厚度，t为时间。
综合极化3He容器玻璃的性能及工艺要求，本发明涉及的玻璃组成成分的摩尔百分比组成包括：SiO2 50-75mol％；Al2O3 5-20mol％；MO 15-45mol％，其中M为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Zn中的一种或多种；
其中，50mol％＜(SiO2+Al2O3-BaO-CaO-PbO-SrO)＜70mol％；
同时，65mol％＜(SiO2+Al2O3+MgO+ZnO-BaO-CaO-PbO-SrO)。
本发明的具体实施例(1-8)见表1。表1给出了玻璃的组成(摩尔百分比)、玻璃转变温度Tg(℃)、30-300℃范围内的膨胀系数(10-7/K)、密度(g/cm3)、原子堆积系数。
表1：
例1
例2
例3
例4
例5
例6
例7
例8
SiO<sub>2</sub>
72.5
65
50
50
50
70
60
50
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10.1
8
12
12
20
5
5
17
MgO
15
20
10
15
10
CaO
8.4
5
8
8
SrO
0.3
8
BaO
8.7
5
5
5
ZnO
10
20
15
10
20
20
PbO
7
5
SiO<sub>2</sub>+Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-BaO-CaO-PbO-SrO
65.2
61
62
62
70
70
60
54
SiO<sub>2</sub>+Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+MgO+ZnO-BaO-CaO-PbO-SrO
65.2
76
84
84
100
90
80
74
T<sub>g</sub>(℃)
740
746
713
770
756
30-300℃范围内的膨胀系数(10<sup>-7</sup>/K)
45
46
45
45
37
44
49
49
密度(g/cm<sup>3</sup>)
2.77
2.95
2.76
3.02
2.83
2.77
3.33
3.14
原子堆积系数
0.49
0.49
0.50
0.51
0.50
0.48
0.50
0.49
Log<sub>10</sub>K<sup>*</sup>
-16.6
-18.2
-16.5
-18.8
-17.1
-16.6
-21.5
-19.8
Log<sub>10</sub>(K/K<sub>SiO2</sub>)
-4.5
-6.0
-4.4
-6.7
-5.0
-4.5
-9.4
-7.7
其中，Log10K用以表征100℃下氦气的渗透情况，K为渗透速率，Q为He气透过量，单位cm3；Δp为玻璃两侧He气的压力差，用cmHg表示；A为玻璃面积，单位为cm2；d为玻璃厚度，单位为mm；t为时间，单位为s。
本发明还提供一种极化3He气体容器玻璃的制作方法，首先，将50-75mol％的SiO2；5-20mol％的Al2O3；15-45mol％的MO进行混料，M为Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、Zn中的一种或多种；然后，将混料混合均匀后放置在坩埚(铂金)中，并将盛有混料的坩埚放置于1600℃的熔炉中，待混料熔化后对玻璃液进行搅拌；待10小时后，将玻璃液倒入模具，玻璃液定型之后放置于650℃的退火炉中进行退火，得到成品。
所以，本发明具有以下优点：
本发明的技术路线是综合考虑极化3He容器玻璃的可加工性、退极化以及氦气透过率进行的配方设计，从而得到综合性能优良的极化3He容器玻璃，使得极化3He气体的产生、储运以及应用过程更为稳定。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神和技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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