CN1046006C - 220毫米长的大尺寸氟化铈晶体的生长技术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及晶体生长技术，尤其是大批量生长220毫米长的大尺寸优质氟化铈晶体的技术，属晶体生长领域。本发明提供的技术包括原料处理、坩埚、生长设备以及生产工艺四方面。用本发明提供的技术可以大批量生长长度达220mm的CeF3晶体。经测定在波长为340mm处具有良好透过度，抗辐照性能优异，可满足作为西欧核子中心对撞机用的闪烁材料的要求。

Description

220毫米长的大尺寸氟化铈晶体的生长技术
本发明涉及的是晶体生长技术，特别是涉及大批量生长220毫米长的大尺寸优质氟化铈(CeF3)晶体的技术。属于晶体生长领域。
CeF3晶体是近几年新发展起来的具有闪烁效应的新型晶体，在高能物理领域中有广泛的应用。它的密度为6.16g/cm3，发光峰波长大于300nm，因而可用价格便宜的玻璃光电倍增管接收，且具有响应速度快、抗辐照损伤能力强、在空气中稳定而不潮解等优点，已被列为大型强子对撞机用的首选闪烁材料。
目前国际上对CeF3晶体的闪烁物性进行了较多的研究，而对其生长理论和生长方法尚正在进行深入研究。迄今为止，最大尺寸的CeF3晶体只有130mm长，且内部缺陷较多，不能适用于作为西欧核子中心大型强子对撞机用的接收材料。
本发明的目的在于提供一种在真空条件下普通拉单晶的炉内，运用化学反应脱氧的方法生长出220毫米长的大尺寸、满足西欧核子中心大型强子对撞机使用要求的高质量CeF3晶体的生长技术。
本发明提供的技术内容包括：原料处理、坩埚、生长设备以及生长工艺四方面。分述如下：
(1)原料用高纯硝酸铈经处理及氟化等工艺过程后，制备成纯度为99.95％以上的CeF3原料。经适当温度烘干，掺入2～10wt％(外加)的脱氧剂，如氟化铅(PbF3)后装入石墨坩埚在真空炉中预烧成多晶料块作为晶体生长的起始原料。
(2)坩埚烧料及晶体生长用的坩埚均选用三高石墨加工而成。三高指高密度(≥1.8g/cm3)、高强度(室温抗弯强度50～60MPa)、高纯度(99.99％，杂质含量小于是1000ppm)。可根据不同需要，采用单孔或多孔形式，孔的形状可以是园形、矩形或其它形状，上下带有一定的锥度。
(3)生长设备生长炉是采用市售的XLL-600型的真空拉单晶炉。采用钼片和石墨相结合的形式，使炉内形成适合于晶体生长的温度场。温度测量采用钨镧热电偶，用JWJ-702精密控制仪控制炉温，控温精度达±0.5℃。
(4)生长工艺参数炉内的生长温度梯度为30℃/cm，生长时熔体温度高于其熔点200℃，生长速率为2～10mm/hr，在整个生长过程炉内真空度为10-3Pa。
(5)生长完成后以一定速率降温，从生长熔融温度降到200℃需2～4天，然后自然冷却至室温取出即可。
下面结合具体生长出长度达220mm的优质CeF3晶体的实施例，对其技术要素作进一步说明。
(1)采用纯度为99.95％的CeF3原料，外加掺入5％(重量)的氟化铅脱氧剂后在真空炉中烧成多晶料块待用。
(2)使用外径为120mm的三高石墨制成的坩埚，有两个晶体生长孔，孔的尺寸为 25×25× 35×35×300mm3，底部有合适的扩晶锥度和引晶孔。
(3)将多晶料块粉碎后，再外加掺入适量脱氧剂，装入坩埚内生长。外加掺入氟化铅的量为3％(重量)。
(4)用内径尺寸为φ140mm的石墨筒梳状发热体进行加热，作为热源。
(5)生长过程中熔体温度高于其熔点200℃左右，恒温3小时后以2mm/hr速率下降生长。炉内保持10-3pa的真空度，在真空度未达到时必须恒温等待，在达到后进行生长。
(6)生长完成后以一定速率降温，从生长熔融温度降到200℃，需48小时，然后自然冷却至室温取出即可。
用本发明提供的生长技术可以成功地在真空下拉单晶炉内，使用化学反应法脱氧技术，用石墨坩埚生长出长度达220mm的优质CeF3晶体。用本生长技术生长出大尺寸的CeF3晶体，经测定表明在波长为340mm处具有良好的透过率，其透过率达85％以上，这为用价格便宜的玻璃光电倍增管接收创造了条件。且所生长的晶体具有较好的抗辐照性能，发光性能和重复性较好的特性。图1为220mm长的CeF3晶体的纵向透过率曲线。横座标为波长()，纵座标为透过率，3400处透过率＞85％。图2为经60次电子脉冲(能量为100Mev正负电子)试验的曲线，横座标为时间，单位为ns，间隔断25；纵座标为脉冲高度(无量纲)，从图2可清楚看出60次脉冲其重复性甚好，反映所生长晶体的稳定性；图3是发光性能曲线，纵座标为相对发光输出强度，横座标为波长(nm)，在303.9nm处相对发光输出强度＞60％，宽度为260nm。图4为γ射线辐照前后透射率变化，表明辐照前和经1KGY、10KGY、100KGY辐照后透射率变化不大，说明用本技术生长的晶体不仅尺寸大而且抗辐照性能优异，可满足西欧核子中心大型强子对撞机用的闪烁材料的要求。

Claims (4)

1、一种生长220毫米长的大尺寸、高质量氟化铈晶体的技术，包括原料处理、坩埚、生长设备和生长工艺四方面，其特征在于：
(1)用高纯硝酸铈为起始原料，经氟化制成纯度99.95％的CeF3原料，外加掺入2-10wt％的氟化铅脱氧剂，装入坩埚预烧成多晶料块；
(2)多晶料块粉碎后，再外加掺入1-5wt％的氟化铅脱氧剂装入三高石墨制作的坩埚，在石墨坩埚上开有 25×25× 35×35×300mm3的双孔或园形孔，底部有合适的扩晶锥度和引晶孔；
(3)生长时熔体温度高于其熔点200℃，以2-10mm/hr生长速率下降生长，炉内保持10-3a真空度，生长的温度梯度为30℃/cm；
(4)生长完成后从生长熔融温度降到200℃约需2-4天，然后自然冷却到室温。
2、按权利要求1所述的生长技术，其特征在于所述的生长速率为2mm/hr。
3、按权利要求1所述的生长技术，其特征在于温度控制精度为±0.5℃。
4、按权利要求1所述的生长技术，其特征在于制造坩埚用的石墨为高纯、高强度、高密度的石墨。
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