Cyclotech - contribution to solve the Technetium shortage by using low energy medical cyclotrons

This paper presents work in progress, to develop an efficient and economic way to directly produce Technetium 99metastable (99mTc) using low-energy cyclotrons. Its importance is well established and relates with the increased global trouble in delivering 99mTc to Nuclear Medicine Departments relying on this radioisotope. Since the present delivery strategy has clearly demonstrated its intrinsic limits, our group decided to follow a distinct approach that uses the broad distribution of the low energy cyclotrons and the accessibility of Molybdenum 100 (100Mo) as the Target material. This is indeed an important issue to consider, since the system here presented, named CYCLOTECH, it is not based on the use of Highly Enriched (or even Low Enriched) Uranium 235 (235U), so entirely complying with the actual international trends and directives concerning the use of this potential highly critical material. The production technique is based on the nuclear reaction 100Mo (p,2n) 99mTc whose production yields have already been documented. Until this moment two Patent requests have already been submitted (the first at the INPI, in Portugal, and the second at the USPTO, in the USA); others are being prepared for submission on a near future. The object of the CYCLOTECH system is to present 99mTc to Nuclear Medicine radiopharmacists in a routine, reliable and efficient manner that, remaining always flexible, entirely blends with established protocols. To facilitate workflow and Radiation Protection measures, it has been developed a Target Station that can be installed on most of the existing PET cyclotrons and that will tolerate up to 400 μA of beam by allowing the beam to strike the Target material at an adequately oblique angle. The Target Station permits the remote and automatic loading and discharge of the Targets from a carriage of 10 Target bodies. On other hand, several methods of Target material deposition and Target substrates are presented. The object was to create a cost effective means of depositing and intermediate the target material thickness (25 - 100μm) with a minimum of loss on a substrate that is able to easily transport the heat associated with high beam currents. Finally, the separation techniques presented are a combination of both physical and column chemistry. The object was to extract and deliver 99mTc in the identical form now in use in radiopharmacies worldwide. In addition, the Target material is recovered and can be recycled.

Metal deposition using Ionic liquids

There is an interest to create zinc/tin alloys to replace cadmium as a corrosion protective coating material. Existing aqueous electroplating systems for these alloys are commercially available but have several limitations. Dangerous and highly toxic complexing agents are uses e.g. cyanides. To overcome these problems, ionic liquids could provide a solution to obtain an alloy containing 20 to 30% of zinc. Ionic liquids (IL’s) often have wider electrochemical windows which allow the deposition of e.g. refractive metals that can not be deposited from aqueous solutions. In IL’s it is often not necessary to add complexing agents. The Zn/Sn alloy deposition from IL’s is therefore a promising application for the plating industry. Nevertheless, there are some issues with this alternative for aqueous systems. The degradation of the organic components, the control of the concentration of two metals and the risk of a two phase deposition instead of an alloy had to be overcome first. It is the main purpose of this thesis to obtain a Zn/Sn alloy with 20% zinc using IL’s as an electrolyte. First a separate study was performed on both the zinc and the tin deposition. Afterwards, an attempt to deposit a Zn/Sn alloy was made. An introduction to a study about the electrodeposition of refractive metals concludes this work. It initiated the research for oxygen-free IL’s to deposit molybdenum or tungsten. Several parameters (temperature, metal source and concentration, organic complexing agents,…) were optimized for both the zinc, tin and zinc/tin deposition. Experiments were performed both in a parallel plate cell and a Hull cell, so as to investigate the effect of current density as well. Ethaline200 was selected as electrolyte. As substrate, brass and iron were selected, while as anode a plate of the metal to deposit was chosen, tin for the alloy. The best efficiencies were always obtained on brass; however the iron substrate resulted in the best depositions. A concentration of 0.27M ZnCl2, 0.07M SnCl2 with 0.015M of K3-HEDTA as complexant resulted in a deposition containing the desired alloy with the amount of 20% zinc and 80% tin with good appearance. Refractory metals as molybdenum and tungsten cannot be electrodeposited from aqueous solutions without forming a co-deposition with Ni, Co or Fe. Here, IL’s could again provide a solution. A first requirement is the dissolution of a metal source. MoO3 could be suitable, however there are doubts about using oxides. Oxygen-free IL’s were sought for. A first attempt was the combination of ZnCl2 with chlormequat (CCC), which gave liquids below 150°C in molar ratios of 2 : 1 and 3 : 1. Unfortuna tely, MoO3 didn’t dissolve in these IL’s. Another route to design oxygen-free IL’s was the synthesis of quaternary ammonium salts. None of the methods used, proved viable as reaction time was long and resulted in very low yields. Therefore, no sufficient quantities were obtained to perform the possible electrochemical behavior of refractive metals.

Determinação de cobre, cobalto e molibdénio em amostras de alimentos seleccionados.

A realização desta tese tinha como principal objectivo determinar a concentração de cobre, cobalto e molibdénio em alimentos seleccionados. Foram determinadas as concentrações de cobre, cobalto e molibdénio em feijões vermelho, feijões castanho, feijões branco, dois tipos de amêndoas, dois tipos de nozes e amendoins. Todos estes alimentos foram comprados e analisados na República Checa. Para a análise destes alimentos foi usado o método analítico Espectrometria de Massa Acoplada a Plasma Indutivo (ICP-MS). Antes de efectuar a análise foi necessário fazer um tratamento prévio que consistia na digestão do alimento no microondas, utilizando-se uma massa de 1 grama de alimento, 5 ml de HNO3 e 2 ml de H2O2. O alimento que tem maior concentração de cobre é as nozes fornecida pela empresa Fit Line (8,7 ± 0,6 μg/g) e o que tem a menor concentração de cobre são os amendoins (3,2 ± 0,2 μg/g). Em relação ao cobalto o alimento que tem a maior concentração de cobalto é feijão do tipo castanho (0,106 ± 0,005 μg/g) e o que apresenta a menor concentração é as amêndoas do tipo 2 (0,019 ± 0,003 μg/g). Para o molibdénio o alimento que apresenta uma maior concentração é o feijão do tipo branco (5,3 ± 0,6 μg/g) e o que tem a menor concentração é as nozes do tipo 2 (0,10 ± 0,01 μg/g).

Photoluminescence and electrical study of fluctuating potentials in Cu2ZnSnS4-based thin films

In this work, we investigated structural, morphological, electrical, and optical properties from a set of Cu2ZnSnS4 thin films grown by sulfurization of metallic precursors deposited on soda lime glass substrates coated with or without molybdenum. X-ray diffraction and Raman spectroscopy measurements revealed the formation of single-phase Cu2ZnSnS4 thin films. A good crystallinity and grain compactness of the film was found by scanning electron microscopy. The grown films are poor in copper and rich in zinc, which is a composition close to that of the Cu2ZnSnS4 solar cells with best reported efficiency. Electrical conductivity and Hall effect measurements showed a high doping level and a strong compensation. The temperature dependence of the free hole concentration showed that the films are nondegenerate. Photoluminescence spectroscopy showed an asymmetric broadband emission. The experimental behavior with increasing excitation power or temperature cannot be explained by donor-acceptor pair transitions. A model of radiative recombination of an electron with a hole bound to an acceptor level, broadened by potential fluctuations of the valence-band edge, was proposed. An ionization energy for the acceptor level in the range 29–40 meV was estimated, and a value of 172 ±2 meV was obtained for the potential fluctuation in the valence-band edge.

Role of abrasive material on micro-abrasion wear tests

Micro-abrasion wear tests with ball-cratering configuration are widely used. Sources of variability are already studied by different authors and conditions for testing are parameterized by BS EN 1071-6: 2007 standard which refers silicon carbide as abrasive. However, the use of other abrasives is possible and allowed. In this work, ball-cratering wear tests were performed using four different abrasive particles of three dissimilar materials: diamond, alumina and silicon carbide. Tests were carried out under the same conditions on a steel plate provided with TiB2 hard coating. For each abrasive, five different test durations were used allowing understanding the initial wear phenomena. Composition and shape of abrasive particles were investigated by SEM and EDS. Scar areas were observed by optical and electronic microscopy in order to understand the wear effects caused by each of them. Scar geometry and grooves were analyzed and compared. Wear coefficient was calculated for each situation. It was observed that diamond particles produce well-defined and circular wear scars. Different silicon carbide particles presented dissimilar results as consequence of distinct particle shape and size distribution.

Influence of the abrasive particles size in the micro-abrasion wear tests of TiAlSiN thin coatings

Ball rotating micro-abrasion tribometers are commonly used to carry out wear tests on thin hard coatings. In these tests, different kinds of abrasives were used, as alumina (Al2O3), silicon carbide (SiC) or diamond. In each kind of abrasive, several particle sizes can be used. Some studies were developed in order to evaluate the influence of the abrasive particle shape in the micro-abrasion process. Nevertheless, the particle size was not well correlated with the material removed amount and wear mechanisms. In this work, slurry of SiC abrasive in distilled water was used, with three different particles size. Initial surface topography was accessed by atomic force microscopy (AFM). Coating hardness measurements were performed with a micro-hardness tester. In order to evaluate the wear behaviour, a TiAlSiN thin hard film was used. The micro-abrasion tests were carried out with some different durations. The abrasive effect of the SiC particles was observed by scanning electron microscopy (SEM) both in the films (hard material) as in the substrate (soft material), after coating perforation. Wear grooves and removed material rate were compared and discussed.

Estudo de delaminação em compósitos de matriz polimérica

A aplicação do material compósito é neste momento bastante vasta, graças à combinação das suas características específicas, tais como, maior resistência específica e módulos específicos e melhor resistência à fadiga, quando comparados com os metais convencionais. Tais características, quando requeridas, tornam este material ideal para aplicações estruturais. Esta caminhada de sucesso iniciou desde muito cedo, quando o material compósito já era utilizado para fabrico de armas pelos mongóis e na construção civil pelos hebreus e egípcios, contudo, só a partir dos meados do século XX é que despertou interesses para aplicações mais modernas. Atualmente os materiais compósitos são utilizados em equipamentos domésticos, componentes elétricos e eletrónicos, passando por materiais desportivos, pela indústria automóvel e construção civil, até indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica como a aeronáutica, espacial e de defesa. Apesar das boas características apresentadas pelos materiais compósitos, no entanto, estes materiais têm tendência a perderem as suas propriedades quando submetidas a algumas operações de acabamento como a furação. A furação surge da necessidade de ligação de peças de um mesmo mecanismo. Os furos obtidos por este processo devem ser precisos e sem danos para garantir ligações de alta resistência e também precisas. A furação nos materiais compósitos é bastante complexa devido à sua heterogeneidade, anisotropia, sensibilidade ao calor e pelo facto de os reforços serem extremamente abrasivos. A operação de furação pode causar grandes danos na peça, como a delaminação a entrada, defeitos de circularidade do furo, danos de origem térmica e a delaminação à saída que se apresenta como o mais frequente e indesejável. Com base nesses pressupostos é que este trabalho foi desenvolvido de forma a tentar obter processos simples para determinação e previsão de danos em polímeros reforçados com fibras (de carbono neste caso) de forma a precavê-los. De forma a conseguir estes objetivos, foram realizados ensaios de início de delaminação segundo a proposta de Lachaud et al. e ensaios de pin-bearing segundo a proposta de Khashaba et al. Foram também examinadas extensões de danos de acordo com o modelo de Fator de delaminação ajustado apresentado por Davim et al. A partir dos ensaios, de pin-bearing, realizados foram analisadas influências do material e geometria da broca, do avanço utilizado na furação e de diferentes orientações de empilhamentos de placas na delaminação de laminados compósitos e ainda a influências dessas variáveis na força de rutura por pin-bearing. As principais conclusões tiradas daqui são que a delaminação aumenta com o aumento do avanço, o que já era esperado, as brocas em carboneto de tungsténio são as mais recomendas para a furação do material em causa e que a delaminação é superior para a placa cross-ply quando comparada com placas unidirecionais. Para a situação de ensaios de início de delaminação foram analisadas as influências da variação da espessura não cortada por baixo da broca/punção, de diferentes geometrias de brocas, da alteração de velocidade de ensaio e diferentes orientações de empilhamentos de placas na força de início de delaminação. Deste ensaio as principais conclusões são que a força de início de delaminação aumenta com o aumenta da espessura não cortada e a influência da velocidade de ensaio altera com a variação das orientações de empilhamento.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.