CN107177886B - 一种激光诱导钨酸镉晶体生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种激光诱导钨酸镉晶体生长方法，步骤包括：将CdWO4籽晶置于坩埚下端，将CdWO4多晶料填装到坩埚内；将所述坩埚放入陶瓷管中，所述坩埚与陶瓷管的间隙填入Al2O3粉，将所述陶瓷管安放在加热炉炉体中的升降台上；将所述炉体温度上升至设置温度，进行晶体生长前籽晶的熔接；启动所述升降台下降，同时用激光辐照所述固液界面；所述晶体生长结束后，降低炉温至室温，将晶体从坩埚中剥离，获得CdWO4单晶。本发明采用坩埚下降法生长CdWO4晶体，晶体生长同时用激光辐照生长的晶体和熔体之间的固液界面进行诱导，实现了CdWO4晶体的稳定生长，可获得均匀透明的CdWO4单晶，且单晶具有良好的光学质量。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长技术领域，特别涉及一种通过激光辐照诱导钨酸镉(CdWO4)晶体生长的方法。
背景技术
闪烁晶体是一种光电功能材料，它是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的作用下能够发出脉冲光的材料。作为闪烁探测器的核心部分，闪烁晶体通常被用来探测高能带电粒子、X射线、γ射线以及中子等高能辐射粒子的数量、能量及方向。
钨酸镉作为一种非常重要的无机闪烁晶体，有着优异的闪烁性能，特别是其对X射线吸收系数大(150keV下，线吸收系数可达7.68cm-1)、辐射长度短(1.0cm)、抗损伤性能强，因此成为应用在X射线断层扫描技术(XCT)探测器上的首选闪烁晶体材料；钨酸镉发光与半导体光探测器的光谱灵敏度曲线相匹配，二者光谱的峰位只相差约50nm；使用钨酸镉可以使高能物理探测器做得十分密集，从而降低整个谱仪的造价。当前，钨酸镉晶体已成为高能粒子探测的首选材料，以钨酸镉晶体为核心的闪烁探测器件在科学研究、医疗诊断以及工业生产等领域均得到了广泛地应用，特别是在高能物理及核医疗成像技术上的应用更是人们关注的热点。
虽然钨酸镉晶体具有众多优良的闪烁性能，但就其生长而言，目前还存在诸多问题。采用传统方法生长的钨酸镉晶体均匀性差，首尾的光学透过性不一致，使得生长高质量大尺寸钨酸镉单晶相当困难，同时不同批次生长的单晶性能的重复性较差，且存在开裂、包裹物、色心等多种晶体缺陷。综上所述，当前钨酸镉晶体生长均匀性差的问题限制了它的广泛应用，因此，研发可实现钨酸镉晶体均匀生长的技术成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术钨酸镉晶体生长均匀性差的问题，本发明提供了一种激光诱导钨酸镉晶体生长方法，在使用传统的坩埚下降法生长钨酸镉晶体的基础上，引入激光为诱导源从而实现钨酸镉晶体的均匀性生长。
本发明提供的一种激光诱导钨酸镉晶体生长方法，采用坩埚下降法生长钨酸镉晶体，晶体生长同时用激光辐照生长的晶体和熔体之间的固液界面。
优选地，所述激光诱导钨酸镉晶体生长方法包括如下步骤：
步骤1.坩埚填料：将CdWO4籽晶置于坩埚下端，将CdWO4多晶料填装到坩埚内；
步骤2.陶瓷管设置：将所述坩埚放入陶瓷管中，所述坩埚与陶瓷管的间隙填入三氧化二铝(Al2O3)粉，将所述陶瓷管安放在加热炉炉体中的升降台上；
步骤3.籽晶熔接：将所述炉体温度上升至设置温度，进行晶体生长前籽晶的熔接；
步骤4.激光诱导晶体生长：启动所述升降台下降，同时用激光束辐照所述固液界面；
步骤5.晶体剥离：所述晶体生长结束后，降低炉温至室温，将晶体从坩埚中剥离，获得CdWO4单晶。
优选地，步骤1中，所述CdWO4多晶料为纯度为99.99％的氧化镉(CdO)和三氧化钨(WO3)作为初始原料合成获得的CdWO4白色陶瓷状多晶料锭。
优选地，步骤3中，所述炉体的设置温度为1350～1400℃；所述炉体上部为加热区，下部为冷却区，中部的梯度区的温度梯度为由上至下每厘米降低30～40℃。
优选地，步骤4中，所述升降台下降速度为0.5～1.5mm/h。
优选地，步骤5中，晶体生长结束后，以20～60℃/h的速率降低炉温。
优选地，步骤4中，所述用激光束辐照所述固液界面的步骤为：先将所述激光束整形成线性光斑，再将所述激光束聚焦于所述固液界面上并在所述固液界面上进行面扫描。
进一步优选地，所述激光束通过衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)整形成线性光斑，再通过旋转多面棱镜或扫描振镜进行所述面扫描，所述激光束透过所述炉体的窗口辐射到所述固液界面上。
优选地，所述激光束由波长为532nm的纳秒脉冲激光器发射。
优选地，所述激光束的激光能量密度为CdWO4晶体表面能的1.2～1.6倍。
本发明实施例的上述技术方案的有益效果为：在整个坩埚下降法晶体生长过程中，通过激光辐照固液界面，保证晶体生长条件的均匀性，防止杂质的生成，从而使得全部熔体生长为均匀的透明单晶，且所生长的晶体具有良好的光学质量。
附图说明
图1为本发明实施例激光诱导钨酸镉晶体生长方法的流程图；
图2为本发明实施例应用激光诱导钨酸镉晶体生长方法的系统结构示意图；
图3为本发明实施例激光系统结构示意图；
图4为本发明实施例制备的钨酸镉晶体样品的X射线照片；
图5a为未应用激光诱导生长的钨酸镉晶体样品的均匀性检测结果图；
图5b为本发明实施例应用激光诱导生长的钨酸镉晶体样品的均匀性检测结果图。
[主要元件符号说明]
1-炉体；11-加热区；12-加热元件；13-梯度区；14-冷却区；15-窗口；16-升降台；17-陶瓷管；18-坩埚；2-激光系统；21-激光发生单元；22-DOE；23-旋转多面棱镜；24-聚焦透镜；25-工作面；3-水冷机；41-籽晶；42-晶体；43-熔体。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例针对现有的问题，提供一种激光诱导钨酸镉晶体生长方法，在采用坩埚下降法生长CdWO4晶体，同时用激光辐照生长的晶体和熔体之间的固液界面。使用上述方法所生长的CdWO4晶体具有良好的光学质量。
作为示例，本发明激光诱导钨酸镉晶体生长方法具体流程如图1所示，利用图2和图3所示的加热炉炉体1及激光系统2加以实施：
步骤S1.坩埚填料：将CdWO4籽晶置于坩埚18下端，将CdWO4多晶料填装到坩埚18内；
作为优选的实施方式，CdWO4多晶料为纯度为99.99％的白色CdWO4陶瓷状多晶料锭，由CdO和WO3作为初始原料合成。
步骤S2.陶瓷管设置：将坩埚18放入陶瓷管17中，坩埚18与陶瓷管17的间隙填入Al2O3粉，将陶瓷管17安放在加热炉炉体1中的升降台16上。
步骤S3.籽晶熔接：将炉体1温度上升至设置温度，进行晶体42生长前籽晶41的熔接；
作为优选的实施方式，加热炉的炉体1内的设置温度为1350～1400℃；炉体1上部为加热区11，下部为冷却区14，利用余热来调节；中部的梯度区13的温度梯度为由上至下每厘米降低30～40℃；加热炉根据晶体材料的不同选择不同的加热元件，可分为电阻式和高频式，本实施例中采用硅钼棒加热元件12的电阻式加热炉。
步骤S4.激光诱导晶体生长：启动升降台16下降，同时用激光束辐照生长的晶体42和熔体43之间的固液界面；
作为优选的实施方式，升降台16下降速度设置为0.5～1.5mm/h；
用激光束辐照固液界面的步骤为：先将激光束整形成线性光斑，再将激光束聚焦于晶体42和熔体43之间的固液界面上并在固液界面上进行面扫描；
辐照所用的激光束自激光系统2出射；作为一种实施例，激光系统2包括激光发生单元21、DOE22、旋转多面棱镜23、聚焦透镜24和工作面25；激光发生单元21发射的激光束通过DOE22整形为线性光斑，激光束经过聚焦透镜24后再通过加热炉炉体1顶端开出的窗口15聚焦辐射到固液界面上；激光束在固液界面的辐照位置通过聚焦透镜24前端的旋转多面棱镜23控制，实现固液界面上激光束稳定的面扫描，面扫描的尺寸大于晶体生长的尺寸；实际工作中，也可使用扫描振镜等其它控制激光束方向的装置代替旋转多面棱镜23；激光系统2可通过水冷机3进行冷却；
激光发生单元21可选择波长为532nm的纳秒脉冲激光器，即发出的激光束波长为532nm；聚焦于所述固液界面的激光能量密度控制在钨酸镉晶体表面能的1.2～1.6倍范围内，作为最佳的实施例，调节激光能量密度为6.2J/m2；
炉体1顶端的窗口15为高温玻璃或石英材质，当激光束波长为532nm时，窗口15两面可加镀532nm的增透膜。
步骤S5.晶体剥离：晶体生长结束后，降低炉温至室温，将晶体42从坩埚18中剥离，获得CdWO4单晶。
如图4所示为本发明实施例制备的CdWO4晶体样品的X射线照片，晶体透光呈现白色，不透光的部分为树脂；图5a和图5b为同等生长条件下有无激光诱导生长的CdWO4晶体样品的均匀性对比，图5a激光诱导前生长的晶体呈现不均匀的状态，如图所示晶体样品的最大值和最小值与平均值相差较大，而采用激光诱导后，生长的晶体样品明显更加均匀。
以上所述方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述；各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“中”、“上”、“下”、“前”等指示的方位或位置关系基于附图所示，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种激光诱导钨酸镉晶体生长方法，采用坩埚下降法生长CdWO4晶体，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.坩埚填料：将CdWO4籽晶置于坩埚下端，将CdWO4多晶料填装到坩埚内；
步骤2.陶瓷管设置：将所述坩埚放入陶瓷管中，所述坩埚与陶瓷管的间隙填入Al2O3粉，将所述陶瓷管安放在加热炉炉体中的升降台上；
步骤3.籽晶熔接：将所述炉体温度上升至设置温度，进行晶体生长前籽晶的熔接；
步骤4.激光诱导晶体生长：启动所述升降台下降，同时用激光束辐照步骤3产生的生长的晶体和熔体之间的固液界面；具体步骤为：先将所述激光束整形成线性光斑，再将所述激光束聚焦于所述固液界面上并在所述固液界面上进行面扫描；所述激光束由波长为532nm的纳秒脉冲激光器发射；
步骤5.晶体剥离：所述晶体生长结束后，降低炉温至室温，将晶体从坩埚中剥离，获得CdWO4单晶。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述CdWO4多晶料为纯度为99.99％的CdO和WO3作为初始原料合成获得的CdWO4白色陶瓷状多晶料锭。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述炉体的设置温度为1350～1400℃；所述炉体上部为加热区，下部为冷却区，中部的梯度区的温度梯度为由上至下每厘米降低30～40℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述升降台下降速度为0.5～1.5mm/h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中，晶体生长结束后，以20～60℃/h的速率降低炉温。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束通过衍射光学元件整形成线性光斑，再通过旋转多面棱镜或扫描振镜进行所述面扫描，所述激光束透过所述炉体的窗口辐射到所述固液界面上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的激光能量密度为CdWO4晶体表面能的1.2～1.6倍。
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