CN101294304A - 钨酸镉闪烁单晶的坩埚下降法生长工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了钨酸镉闪烁单晶的坩埚下降法生长工艺,该技术属于单晶生长领域。以高纯度CdO(99.99%)和WO3(99.99%)为初始原料,按照CdO∶WO3=1∶1的摩尔比配制粉料,经过充分球磨混合后,将粉料压制成适当规格的料锭,再经过1000~1150℃高温烧结2~6小时,获得CdWO4陶瓷状多晶料锭。采用壁厚0.1~0.3毫米的特制铂坩埚盛装籽晶和料锭,将坩埚密封后置于单晶生长炉中,控制炉温于1340~1400℃,调节坩埚位置使料锭与籽晶顶部熔接,形成温度梯度为20~60℃/厘米的稳定固液界面,然后以小于2毫米/小时的速率进行坩埚下降生长,所生长晶体再经950~1050℃下退火处理,即可获得高质量大尺寸钨酸镉单晶。该工艺有效避免了该晶体生长固有的有害熔体成分挥发,在晶体生长过程中熔体成分保持恒定,能够应用于批量生长各种规格形状的钨酸镉单晶。
Description
技术领域
本发明属于单晶生长技术领域。钨酸镉单晶是一种具有优良发光特性的闪烁发光材料,它具有相当高的发光效率、高的能量分辨率,且抗辐照损伤性能强、材料密度大、无潮解性,可广泛应用于核医学成像、工业CT、安全检查、石油测井、高能物理等技术领域,特别是在XCT、PET、SPECT等核医学成像设备方面极具应用价值。采用本发明技术可生长出满足实用需要的高质量大尺寸钨酸镉单晶。
背景技术
钨酸镉单晶(CdWO4,CWO)为单斜晶系,属于黑钨矿结构,空间群P2/C,密度为7.9g/cm3,跟其它多种无机闪烁晶体相比较,钨酸镉闪烁单晶具有发光效率较高、余辉时间短、X射线吸收系数大、抗辐照损伤性能强、材料密度大、无潮解性等特性,是综合性能相当优异的闪烁晶体材料,可广泛应用于核医学成像、工业CT、安全检查、石油测井、高能物理等技术领域,尤其在核医学成像领域的应用价值堪居闪烁晶体材料之首。迄今国内外已有采用提拉法生长钨酸镉单晶的研究报道,高质量大尺寸钨酸镉单晶生长存在相当困难,迄今仍未能实现高质量大尺寸单晶材料的批量生长。
在钨酸镉单晶的提拉法生长工艺中,通常采用高频或电阻加热的提拉法单晶炉,将盛装于铂坩埚的钨酸镉原料熔化后,主要通过旋转提拉过程进行晶体生长。钨酸镉单晶的提拉法生长过程所固有的技术难题在于:(1)由于熔体中CdO和WO3存在程度不同的挥发,导致熔体成分逐渐偏离化学计量比,所生长晶体易于产生各种散射颗粒,以至后期所剩余熔体不能再满足单晶生长的需要;(2)在提拉法晶体生长过程中,比较严重的CdO蒸气挥发会造成环境污染,引起操作人员慢性镉中毒;(3)钨酸镉单晶存在比较明显的解理特性,而较大的固液界面温梯导致晶体内热应力比较大,所生长单晶易于沿(010)解理面开裂。
本发明提供了钨酸镉单晶的坩埚下降法生长工艺,通过高温固相烧结法制备CdWO4多晶料,采用金属铂制作的薄壁坩埚,在坩埚密闭条件下进行钨酸镉单晶生长。跟已有的提拉法生长比较,该工艺能够有效避免熔体成分特别是有毒氧化镉蒸气的挥发,在晶体生长过程中熔体成分保持恒定,有利于生长出高质量大尺寸钨酸镉单晶,此外,采用多坩埚晶体生长炉,能够实现每台设备单周期生长多根单晶,能够应用于批量生长各种规格形状的高质量大尺寸钨酸镉单晶。
发明内容
本发明的工艺流程如说明书附图1所示,其主要内容分述如下:
(1)以高纯度CdO(99.99%)和WO3(99.99%)为初始原料,按照CdO∶WO3=1∶1的摩尔比配制粉料,经过充分球磨混合后,将粉料压制成适当规格的料锭,再经过1000~1150℃高温烧结2~6小时,获得CdWO4陶瓷状多晶料锭。
(2)在高频感应炉中熔炼金属铂,再将金属铂压制成厚度约0.1~0.3毫米的铂箔,按照欲生长晶体和籽晶的形状、尺寸,应用点焊、火焊方法制作所需规格的铂坩埚。
(3)先期通过自发成核生长获得钨酸镉籽晶,选择均匀完整的钨酸镉单晶作为籽晶,将其加工成圆柱或棱柱形状,纵向长度为40~60mm,结晶学方向为<010>,欲生长晶体与籽晶的横截面积之比小于4。
(4)先将籽晶安装于坩埚下部,籽晶应与坩埚壁紧贴,再填装原料于坩埚上部,最后焊封坩埚两端,以避免钨酸镉熔体成分的挥发。
(5)将坩埚放入陶瓷管适当位置,使籽晶顶端与测温热电偶相齐,装填氧化铝粉于坩埚与陶瓷管的间隙,然后将陶瓷管放入炉膛,安置在机械下降装置上。
(6)将炉温升至控制温度,并自动保温于1350~1400℃,再将坩埚逐步上移,最后调节至适当高度,使坩埚上部原料和籽晶顶部熔化。
(7)将坩埚在固定位置保温4~6小时,以形成温度梯度为20~60℃/厘米的稳定固液界面,然后使坩埚以小于2毫米/小时的速度缓慢下降,钨酸镉单晶便逐渐从熔体中析出。
(8)单晶生长过程结束后,停止坩埚下降,以30~50℃/小时的速率降低炉温至室温,将晶体从坩埚中剥离,获得浅黄棕色钨酸镉单晶。
(9)将所获钨酸镉单晶置于退火炉中进行热处理。将退火炉以以50~100℃/小时的速率升温至950~1050℃,在氧气或空气氛中保温24小时,再以50~100℃/小时的速率冷却到室温。经过退火处理可消除晶体热应力和减少晶体缺陷,从而获得无色或极浅色的钨酸镉单晶。
本工艺综合采取以下技术措施,以有效解决了熔体成分挥发和晶体开裂的技术难题,实现高质量大尺寸钨酸镉单晶的稳定生长。
(1)在坩埚密封条件下进行单晶生长。将CdWO4多晶料填入铂坩埚后,将坩埚顶部加以完全焊封,铂坩埚能够可靠地密封住熔体上部的蒸气,其熔体组分不会出现挥发损失,在整个单晶生长过程中,避免了有毒氧化镉蒸气的逸出,熔体成分能够保持恒定不变,几乎全部熔体均能够生长为透明单晶。
(2)优选晶体生长方向和适当减小固液界面温梯。本工艺采用取向<010>的籽晶引导晶体生长,并将固液界面温梯控制于20~60℃/厘米范围,能够有效避免钨酸镉单晶在生长过程中发生开裂。
附图说明
附图1为本发明的工艺流程图。
附图2为本发明所用坩埚下降法晶体生长装置。该系统由生长炉、温度控制仪、测温元件和机械下降装置等部分组成。该生长炉的炉膛分为高温区、过渡区和低温区,高温区采用硅钼棒加热,低温区利用余热来调节,并有隔热挡板使上、下温区分开,高、低温区的温度梯度均较小,其间过渡区域的温度梯度较大。在晶体生长过程中,原料在高温区熔化,晶体在低温区保温和自退火,固液界面则位于过渡区域。通过WJK-100A精密温控仪控制炉体温度,采用Pt/Pt-10%Rh热电偶为控温、测温元件,热电偶的冷端均放置在冰壶中。为了实时测量晶体生长过程的温度变化,将两对测温热电偶安置于氧化铝陶瓷管内,上、下热电偶的热端相距100mm,该陶瓷管用来支撑铂坩埚。机械下降装置由丝杆、步进电机和谐波减速器组成,坩埚下降的速率由单板机程序控制。启动机械下降装置,坩埚以一定速率缓慢下降,晶体逐渐自下而上从熔体中析出。采用多坩埚晶体生长炉,单台生长炉每次可生长多根晶体。
具体实施方式
本发明的实施例列举如下:
(1)采用壁厚0.18毫米的铂箔加工成圆筒状坩埚,其下部容积为Ф25×80mm3,上部容积为Ф50×240mm3,中间呈漏斗状。将取向<010>、尺寸Ф24.5×50mm3的籽晶安装于坩埚下部,再往籽晶上部填装多晶料,然后焊封坩埚两端。在晶体生长过程中,将晶体生长炉控制于1370~1380℃,先调节坩埚至适当位置,使原料和籽晶顶部熔化,形成温度梯度为30℃/厘米的稳定固液界面,保温4小时后,使坩埚以0.8毫米/小时的速度下降。晶体生长过程结束后,将炉温以30~50℃/小时的速率降至室温;最后将所获钨酸镉单晶进行退火处理,在氧气氛中经过1000℃保温退火24小时,即可获得尺寸达Ф40×100mm3的无色的完整钨酸镉单晶。
(2)制作尺寸40×40×240mm3、壁厚0.20毫米的棱柱状坩埚,将取向<010>、尺寸39.5×39.5×50mm3的籽晶安装于坩埚下部,再填装多晶料,然后焊封坩埚两端。将炉温控制于1380~1390℃,调节坩埚至适当位置,使原料和籽晶顶部熔化,固液界面的温度梯度为40℃/厘米,保温5小时后,使坩埚以0.6毫米/小时的速度下降。晶体生长过程结束后,将炉温以30~50℃/小时的速率降至室温;最后将所获钨酸镉单晶进行退火处理,在空气氛中经过1000℃保温退火24小时,即可获得尺寸达40×40×100mm3的极浅色的完整钨酸镉单晶。
(3)按照实例1、2所述工艺条件,将取向<010>的籽晶放入3只坩埚,在三工位单晶生长炉中进行晶体生长,能够同时生长3支钨酸镉单晶。
Claims (4)
1、钨酸镉闪烁单晶的坩埚下降法生长工艺,包括原料合成、晶体生长、晶体退火等步骤,其特征在于:
(1)采用高纯度CdO(99.99%)和WO3(99.99%)为初始原料,按照CdO∶WO3=1∶1的摩尔比配制粉料,经过充分球磨混合后,将粉料压制成适当规格的料锭,再经过1000~1150℃高温烧结2~6小时,获得CdWO4陶瓷状多晶料锭。
(2)采用特制铂坩埚盛装籽晶和料锭,将坩埚密封后置于单晶生长炉中,控制炉温于1340~1400℃,调节坩埚位置使料锭与籽晶顶部熔接,形成温度梯度为20~60℃/厘米的稳定固液界面,然后以小于2毫米/小时的速率进行坩埚下降生长。
(3)单晶生长结束后,所获得浅黄棕色单晶经950~1050℃下退火处理24小时,即可获得高质量大尺寸无色或极浅色钨酸镉单晶。
2、根据权利要求1所述的钨酸镉单晶生长工艺,其特征在于采用特制铂坩埚进行单晶生长,采用厚度0.1~0.3毫米的金属铂板材,通过点焊与火焊方法制作单层或双层铂坩埚,以满足钨酸镉单晶生长的需要。
3、根据权利要求1所述的钨酸镉单晶生长工艺,其特征在于在坩埚密闭条件下进行钨酸镉单晶生长,有效避免熔体成分特别是有毒氧化镉蒸气的挥发,在晶体生长过程中熔体成分保持恒定,从而有利于生长出高质量大尺寸钨酸镉单晶。
4、根据权利要求1所述的钨酸镉单晶生长工艺,其特征在于所生长单晶可以为圆柱、棱柱等形状,且单台生长炉每生长周期可获得1-10根单晶。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081029 |