Measurement of ultimate tensile strength and Young modulus in LYSO scintillating crystals

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Oggetto del lavoro (traduzione)

Determinazione della tensione di rottura e del modulo di Young in cristalli scintillatori di LYSO

I cristalli scintillatori sono utilizzati nella fisica delle alte energie, nella diagnostica medica per immagini e nella sicurezza. In questo lavoro sono state misurate due proprietà meccaniche di cristalli di Ortosilicato di Ittrio-Lutezio additivati con Cerio (Lu_2(1−x)Y_2x SiO₅ con x=0.1, LYSO) : la tensione di rottura (σ _UTS) ed il modulo di Young (E). Le misure sono state eseguite per mezzo di una prova a flessione a 4 punti; i risultati sperimentali descrivono una relazione sforzo-deformazioni di tipo elastico-fragile, fortemente dipendente dalla modalità di preparazione dei provini e dai difetti presenti nel cristallo. La tensione di rottura σ _UTS nella direzione varia tra i  68.14 ed 115.61 MPa che è, anche nel caso del valore minore, più del doppio di quella misurata per cristalli di  PbWO₄ (PWO), ed esibisce una notevole differenza tra campioni che hanno subito il trattamento di tempra e quelli che non l’hanno subito. Il modulo elastico medio (E) lungo la medesima direzione è stato valutato in  1.80×10¹¹ (±2.15×10¹⁰) N/m², con una dispersione minore di quella rilevata per la tensione di rottura. Questo tipo di analisi e studio può essere utilizzato in un processo di controllo di qualità dei cristalli basato su campioni presi dalla linea di produzione; simili procedure possono essere messe a punto per il trattamento industriale di cristalli destinati alla fisica delle alte energie (calorimetri) e diagnostica per immagini (PET, etc.).

Job task

Measurement of ultimate tensile strength and Young modulus in LYSO scintillating crystals

Scintillating crystals are employed in high energy physics, in medical imaging, diagnostic and security. Two mechanical properties of lutetium–yttrium oxyorthosilicate cerium-doped Lu_2(1−x)Y_2x SiO₅:Ce with x=0.1 (LYSO) crystals have been measured: the ultimate tensile stress (σ _UTS) and the Young elastic modulus (E). Measurements are made by means of a 4-points loading device and the experimental results account for an elastic–brittle stress–strain relation, which depends heavily on the specimen preparation and the material defects. σ _UTS along the tensile direction ranges within 68.14 and 115.61 MPa, which, in the lowest case, is more than twice with respect to those measured for PbWO₄ (PWO), exhibiting a marked difference between the annealed and the not-annealed samples. The mean elastic modulus (E), along the same direction, is E=1.80×10¹¹ (±2.15×10¹⁰) N/m², with lower dispersion respect to UTS data. This type of analysis and study can be included into quality control procedures of crystals, based on samples taken out of production; such procedures can be established for industrial processing of crystals aimed to the high energy physics (calorimeters) and medical imaging (PET, etc.) applications.

Referente:

Prof. Lorenzo Scalise

Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche

e-mail: l.scalise@univpm.it