CN107488874A - 一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法及低成本稀土晶体的生长工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法，包括以下步骤，首先推算稀土晶体生长过程中，晶体生长空间内的温度梯度值；所述温度梯度值包括轴向温度梯度和径向温度梯度；然后根据上述步骤得到的温度梯度值、保温材料的热导率以及保温材料的外形结构，经计算后，得到用于稀土晶体生长工艺的温度场结构。本发明从稀土晶体的生长机理入手，提出了用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法，利用晶体生长过程中的传热方程计算理论温度梯度，结合实际生长中的温度梯度，设计并固定不同的温度场结构，解决了稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题，尤其是大尺寸稀土晶体在上述方面存在的问题。

Description

一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法及低成 本稀土晶体的生长工艺

技术领域

本发明属于稀土晶体材料技术领域，设计一种温度场结构的设计方法及低成本稀土晶体的生长工艺，具体涉及一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法及低成本稀土晶体的生长工艺。

背景技术

稀土是国家的重要战略资源，作为稀土材料的重要分支之一，稀土晶体指稀土元素可以完整占据结晶学结构中某一格点的晶体，具有独特的磁学和光学特性，被广泛地应用于光纤通讯、国防安全、民生健康等国家重点领域，其研究和发展，一直是业内广泛关注的焦点。然而，现阶段稀土晶体生长品质的不稳定性、晶体内组成不均匀性、大尺寸材料生长的困难性严重限制了高端稀土晶体产品的研制与使用。归其原因主要包括：1)稀土晶体生长机理不清晰，缺乏对多尺度生长过程的有效控制；2)生长设备在线测控功能薄弱，缺少稀土晶体生长实时数据反馈并做出相应精确调控；3)生长设备控制精度和稳定性有待提高，确保每一炉次稀土晶体生长过程“高度一致”。稀土晶体生长控制计算系统能够为高品质稀土功能晶体提供稳定可靠的生长平台。目前，国内外一致认为高控制精度自动控制稀土有利于实现高品质稀土晶体生长。因此，稀土晶体专用的自动化控制稀土的研制具有重要意义。

近些年，国内外已有多家公司和研究机构对稀土晶体生长工艺的自动化控制进行了研究和生产，如法国的Cyberstar公司，实现了晶体生长过程的高精度、稳定循环控制，实现外形可控且无位错优质单晶的生长，且可在高温、真空或惰性气体部分压力下正常工作，使得生长的晶体产品成品率高，大大降低晶体生长过程中的人力资本。德国的PVA TePla集团、美国的GT Advanced Technologies公司、西安理工晶体科技有限公司、中电26所、中材人工晶体研究院、东方钽业集团公司、雷生强式公司等等单位均已经生产了经济实用的晶体生长设备。再如稀土资源利用国家重点实验室对稀土晶体生长设备进行改造升级，采用共聚焦摄像仪和测温仪，实现了生长过程图像、温度的远程监控，进一步提高生长设备的控制精度。

但是由于稀土晶体生长过程的复杂性和较高的不确定性，使得稀土晶体生长技术的设计周期长，而且生长参数需要反复优化等问题，导致稀土晶体生长的前期投入较大，大大延长了生长技术研发周期，而且前期过程中稀土材料损耗严重、整体生长过程人力成本投入高等等，使得稀土晶体生长成本居高不下，已成为稀土晶体应用领域上的桎梏，更阻碍了进一步在探测领域更为广泛的应用，

因此，如何减少稀土晶体生长技术的设计周期，简化生长参数的反复优化过程，减少前期设计的投入和浪费，进而降低稀土晶体的整体制造成本，已成为了应用领域前沿学者亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种温度场结构的设计方法，特别是一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法及低成本稀土晶体的生长工艺，本发明提供的温度场结构的设计方法，设计并固定不同的温度场结构，解决大尺寸稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题，有效的解决大尺寸稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题。

本发明提供了一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法，包括以下步骤：

1)推算稀土晶体生长过程中，晶体生长空间内的温度梯度值；

所述温度梯度值包括轴向温度梯度和径向温度梯度；

2)根据上述步骤得到的温度梯度值、保温材料的热导率以及保温材料的外形结构，经计算后，得到用于稀土晶体生长工艺的温度场结构。

优选的，所述步骤1)具体为：

11)假定晶体生长过程中的热场为稳态温度场，根据热传输方程，得到稳态温度场中晶体的热传导方程，再代入圆柱形坐标系，得到式(I)所示的关系式，

其中，r、和z为晶体的空间变量，T为温度；

12)引入温度函数θ(r,z)代替T(r,z)，则θ(r,z)＝T(r,z)-T₀，得到式(II)所示的关系式，

13)根据上述步骤得到的式(II)，建立如下边界条件：

当z＝0时，θ＝T_m-T₀；

当z＝1时，

当z＝r_a时，

其中，r_a为晶体的半径，K为热传导系数，T_m为平衡温度，ε为热交换系数，ε₀为对流热交换系数，ε_R为辐射热交换系数，ε＝ε₀+ε_R；

当ε/K很小时，得到满足边界条件的微分方程近似解式(III)，

其中，θ_m为平衡温度函数，h＝ε/K；

14)根据上述步骤得到的式(III)，得到晶体生长空间内的轴向温度梯度如式(IV)所示；以及晶体生长空间内的径向温度梯度如式(V)所示，

优选的，在同一高度水平面上，所述径向温度梯度随r线性地变化；

当h＞0时，随r的增大而减小，晶体侧面边缘处温度梯度减小；

当h＜0时，随r的增大而增加，晶体侧面边缘处的温度梯度大于晶体中心轴处的温度梯度。

优选的，所述保温材料包括硅质保温材料、硅酸铝质保温材料、刚玉质保温材料、镁钙质保温材料、铝镁质保温材料、镁硅质保温材料和锆质耐火材料保温材料中的一种或多种；

所述计算的方法包括回归分析、参数校正和数值比对中的一种或多种。

本发明还提供了低成本稀土晶体的生长工艺，包括以下步骤，

a)在搭建有上述技术方案任意一项所设计的温度场结构的稀土晶体生长设备中，在真空或保护性气氛下，将原料多晶料块进行熔化，在出现特征液流线时，进行引晶操作；

b)引晶结束后，按照计算获得的生长速率和/或旋转速率，采用提拉法进行晶体生长，同时测量稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；以及测量稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度，最后得到稀土晶体；

c)将上述步骤测算的轴向温度梯度和径向温度梯度，与上述技术方案任意一项中所推算的轴向温度梯度和径向温度梯度进行分别比对，选择是否修正。

优选的，所述生长速率和/或旋转速率，具体由以下步骤计算后得到，

A)依据结晶生长的化学键合理论，参照式(A)，计算稀土晶体的各向异性相对生长速率，再勾画出模拟的稀土晶体的热力学生长形态及其主要暴露晶面；

其中，R_uvw为晶体沿[uvw]方向的相对生长速率；

K为速率常数；

为沿[uvw]方向生长的化学键合能；

A_uvw为生长基元沿[uvw]方向的投影面积；

d_uvw为晶体沿[uvw]方向的台阶高度；

B)基于上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态，确定优势提拉生长方向；

C)根据上述步骤得到的提拉生长方向，确定沿轴向和径向方向的生长界面处的化学键合结构，再依据上述化学键合结构，找出相应的相对生长速率；

D)将上述步骤找出的相应的相对生长速率，结合晶格能，得到稀土晶体生长过程中的生长速率；

E)根据稀土晶体的等径尺寸和生长速率，计算得到稀土晶体的提拉生长速率和/或旋转速率。

优选的，所述稀土晶体为稀土掺杂钇铝石榴石晶体时，所述热力学生长形态主要暴露的晶面为{100}、{110}和{111}晶面；

所述优势提拉生长方向为[100]、[010]和[111]方向。

优选的，所述引晶操作的温度为1780～2050℃；

所述稀土晶体的提拉生长速率为2.5～8.0mm/h；

所述稀土晶体的旋转速率为6～30rpm。

优选的，所述稀土晶体包括稀土激光晶体和稀土闪烁晶体；

所述稀土闪烁晶体包括稀土正硅酸盐晶体、稀土硅酸盐晶体、稀土掺杂钇铝石榴石晶体和稀土掺杂镥铝石榴石中的一种或多种；

所述稀土晶体为类圆柱体，所述稀土晶体的等径尺寸为30～85mm；所述稀土晶体的长度为60～300mm。

优选的，所述测量稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；以及测量稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度的具体步骤为：

在水平径向方向上，测量a个点的温度值，得到熔体的径向温度梯度分布；在垂直轴向方向上，测量垂直空间上b个点的温度值，得到空间上的轴向温度梯度分布；

其中，a选自2～20的正整数；

所述a个点之间为等距离设置；所述等距离为n，所述n为1～10mm；

所述a个点中，第一个点距离熔体中心的距离为n；

其中，b选自2～20的正整数；

所述b个点之间为等距离设置；所述等距离为m，所述m为1～10mm；

所述b个点中，第一个点距离熔体中心的距离为m；

所述比对的具体方式为：

当比对的偏差超过±10％时，对稀土晶体生长设备中的温度场结构进行修正；

当比对的偏差小于等于±10％时，则维持稀土晶体生长设备中的温度场结构的设计。

本发明提供了一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法，包括以下步骤，首先推算稀土晶体生长过程中，晶体生长空间内的温度梯度值；所述温度梯度值包括轴向温度梯度和径向温度梯度；然后根据上述步骤得到的温度梯度值、保温材料的热导率以及保温材料的外形结构，经计算后，得到用于稀土晶体生长工艺的温度场结构。与现有技术相比，本发明针对现有的稀土晶体生长过程中，生长技术的设计周期长，而且生长参数需要反复优化等问题，导致稀土晶体生长的前期投入较大，大大延长了生长技术研发周期的缺陷，本发明从稀土晶体生长的根本出发，针对晶体生长的机理不清晰，缺乏对多尺度生长过程的有效控制的现状，认为生长控制系统之中缺少前端理论设计功能，从而延长了生长技术的周期，增加了稀土晶体生长的前期投入。

本发明从稀土晶体的生长机理入手，提出了用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法以及相应的生长工艺，利用晶体生长过程中的传热方程计算理论温度梯度，结合实际生长中的温度梯度，设计并固定不同的温度场结构，解决了稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题，尤其是大尺寸稀土晶体在上述方面存在的问题。

实验结果表明，本发明提供的生长工艺的晶体生长周期为34～102小时，按照本发明提供的温度场结构的设计方法进行稀土晶体生长工艺，能够有效缩短稀土晶体生长过程8％～20％。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的稀土晶体的XRD谱图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。

本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。

本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或稀土晶体制备领域常规的纯度即可。

本发明对计算式中各参数的定义和选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，符合本领域人员的基础常识。本发明中各参数的选择范围，适用于所有无机晶体材料，其具体的数值和选择，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求，在工具书或文献中进行选择和调整。

本发明提供了一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法，包括以下步骤：

1)推算稀土晶体生长过程中，晶体生长空间内的温度梯度值；

所述温度梯度值包括轴向温度梯度和径向温度梯度；

2)根据上述步骤得到的温度梯度值、保温材料的热导率以及保温材料的外形结构，经计算后，得到用于稀土晶体生长工艺的温度场结构。

本发明对所述稀土晶体没有特别限制，以本领域技术人员熟知的稀土晶体即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述稀土晶体优选包括稀土激光晶体和稀土闪烁晶体等，稀土激光晶体如Yb:YAG、Yb:S-FAP、Nd:GGG、Tm,Ho:YAG，稀土闪烁晶体包括稀土正硅酸盐晶体、稀土硅酸盐晶体、稀土掺杂钇铝石榴石晶体、稀土掺杂镥铝石榴石(如掺铈镥铝石榴石Ce:LuAG)等等。

在本发明中，对所述稀土正硅酸盐晶体和稀土硅酸盐晶体的定义没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，本发明所述稀土正硅酸盐晶体是指化学式为(CeRELu)₂SiO₅的化合物，所述稀土硅酸盐晶体是指化学式为(CeRELu)₂SiO_x的化合物，如稀土焦硅酸盐晶体等。

本发明对所述稀土晶体的形状没有特别限制，以本领域技术人员熟知的稀土晶体的常规形状即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述稀土晶体，即所制备的稀土晶体为通常的提拉生长法所得到的形状，优选为类圆柱体，更优选为圆柱体。本发明对所制备的稀土晶体的尺寸没有特别限制，以本领域技术人员熟知的稀土晶体的常规尺寸即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所制备的稀土晶体的等径尺寸，即所述圆柱体的横截面的直径，优选为30～85mm，更优选为35～80mm，更优选为40～75mm，更优选为45～70mm，最优选为45～70mm。具体的，所述稀土正硅酸盐晶体的等径尺寸优选为30～75mm，更优选为35～70mm，更优选为40～70mm，最优选为45～65mm；所述稀土硅酸盐晶体和所述钇铝石榴石晶体的等径尺寸各自优选为50～80mm，更优选为55～78mm，更优选为60～75mm，最优选为60～72mm。本发明所述稀土晶体的高度优选为60～300mm，更优选为70～270mm，最优选为90～240mm。

本发明对所述温度场的概念没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，本发明所述温度场优选是指合适的晶体生长条件主要是要保持一个合适的相变驱动力场，对于熔体生长系统，相变驱动力场即温度场，实际生产中也称为热场。

本发明首先推算稀土晶体生长过程中，晶体生长空间内的温度梯度值；所述温度梯度值包括轴向温度梯度和径向温度梯度。

本发明对所述推算的具体方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的利用常规热力学上的推算方法即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明为提高整体设计方法的准确性，完整和优化设计方法，所述推算的具体过程，所述步骤1)具体优选为：

11)假定晶体生长过程中的热场为稳态温度场，根据热传输方程，得到稳态温度场中晶体的热传导方程，再代入圆柱形坐标系，得到式(I)所示的关系式，

其中，r、和z为晶体的空间变量，T为温度；

12)引入温度函数θ(r,z)代替T(r,z)，则θ(r,z)＝T(r,z)-T₀，得到式(II)所示的关系式，

13)根据上述步骤得到的式(II)，建立如下边界条件：

当z＝0时，θ＝T_m-T₀；

当z＝1时，

当z＝r_a时，

其中，r_a为晶体的半径，K为热传导系数，T_m为平衡温度，ε为热交换系数，ε₀为对流热交换系数，ε_R为辐射热交换系数，ε＝ε₀+ε_R；

当ε/K很小时，得到满足边界条件的微分方程近似解式(III)，

其中，θ_m为平衡温度函数，h＝ε/K；

14)根据上述步骤得到的式(III)，得到晶体生长空间内的轴向温度梯度如式(IV)所示；以及晶体生长空间内的径向温度梯度如式(V)所示，

本发明对上述式(I～V)中各参数的定义和选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，符合本领域人员的基础常识。本发明上述各参数的选择范围，适用于所有无机晶体材料，其具体的数值和选择，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求，在工具书或文献中进行选择和调整。

本发明假定晶体生长过程中的热场为稳态温度场，根据热传输方程，得到稳态温度场中晶体的热传导方程，再代入圆柱形坐标系，得到式(I)所示的关系式，

其中，r、和z为晶体的空间变量，T为温度；

本发明对所述热传输方程的概念没有特别限制，以本领域技术人员熟知的热传输方程即可，在本发明中所述稀土晶体的半径为r_a，长度为l，密度为d，比热为c，热传导系数K皆为常数。同时假设晶体中的热场为稳态温场(在运动坐标系中原点固定在固/液界面的0点上)。

根据热传输方程可得到稳态温度场中晶体的热传导方程为

采用圆柱形坐标可得式(I)。

随后引入温度函数θ(r,z)代替T(r,z)，则θ(r,z)＝T(r,z)-T₀，得到式(II)所示的关系式，

再建立边界条件：

当z＝0时，θ＝T_m-T₀；

当z＝1时，

当z＝r_a时，

其中，r_a为晶体的半径，K为热传导系数，T_m为平衡温度，即凝固点，ε为热交换系数，ε₀为对流热交换系数，ε_R为辐射热交换系数，热交换系数是对流热交换系数ε₀和辐射交换系数ε_R之和。

当ε/K很小时，得到满足边界条件的微分方程近似解式(III)，

其中，θ_m为平衡温度函数，h＝ε/K；

最后可导出晶体中温度梯度矢量沿轴向和径向的分量为，即轴向温度梯度式(IV)和径向温度梯度式(V)。

本发明再根据上述步骤得到的温度梯度值、保温材料的热导率以及保温材料的外形结构，经计算后，得到用于稀土晶体生长工艺的温度场结构。具体可以为，根据计算所得的三维空间内的温度梯度，利用不同保温材料的热导率结合其几何结构，设计不同保温材料的三维空间组装，满足计算所的温度场结构即可完成设计并输出。

本发明对所述保温材料的种类和选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常用保温材料的种类和选择即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述保温材料优选为多种保温材料的组合，具体优选包括硅质保温材料、硅酸铝质保温材料、刚玉质保温材料、镁钙质保温材料、铝镁质保温材料、镁硅质保温材料和锆质耐火材料保温材料中的一种或多种，更优选为硅质保温材料、硅酸铝质保温材料、刚玉质保温材料、镁钙质保温材料、铝镁质保温材料、镁硅质保温材料和锆质耐火材料保温材料中的多种。

本发明对所述计算的具体方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常用于此方面的计算方法即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述计算的方法优选包括回归分析、参数校正和数值比对中的一种或多种，更优选为回归分析、参数校正和数值比对中的多种。

在本发明中，在同一高度水平面上，所述径向温度梯度随r值优选进行线性地变化。

当h＞0时，随r的增大而减小，晶体侧面边缘处温度梯度减小。为保证晶体生长热力学上的推动力，应优选减小保温结构的保温性能，可以通过选择热导率高的保温材料，即增加保温材料的热导率，和/或减少保温结构的壁厚等外形结构来实现。

当h＜0时，随r的增大而增加，晶体侧面边缘处的温度梯度大于晶体中心轴处的温度梯度。为保证晶体生长热力学上的推动力的稳定，应优选增加保温结构的保温性能，可以通过选择热导率低的保温材料，即减少保温材料的热导率，和/或增加保温结构的壁厚等外形结构来实现。

本发明上述步骤提供了用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法，采用“理论模拟先行”的方式，通过利用晶体生长过程中的传热方程推算稀土晶体生长中的温度梯度，设计并固定不同的温度场结构，为后期稀土晶体的实际生长过程，提供了可靠的前端理论设计功能，有效的减少生长技术的整体周期，降低了稀土晶体生长的前期投入，解决大尺寸稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题。

本发明还提供了低成本稀土晶体的生长工艺，包括以下步骤，

a)在搭建有上述技术方案任意一项所设计的温度场结构的稀土晶体生长设备中，在真空或保护性气氛下，将原料多晶料块进行熔化，在出现特征液流线时，进行引晶操作；

b)引晶结束后，按照计算获得的生长速率和/或旋转速率，采用提拉法进行晶体生长，同时测量稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；以及测量稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度，最后得到稀土晶体；

c)将上述步骤测算的轴向温度梯度和径向温度梯度，与上述技术方案任意一项中所推算的轴向温度梯度和径向温度梯度进行分别比对，选择是否修正。

本发明首先在搭建有上述技术方案任意一项所设计的温度场结构的稀土晶体生长设备中，在真空或保护性气氛下，将原料多晶料块进行熔化，在出现特征液流线时，进行引晶操作。

本发明对所述原料多晶料块的来源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的稀土原料多晶料块的来源即可，可以采用常规的制备方法制备，也可以市售购买，本发明为完整和优化工艺流程，进一步保证技术方案的效果，所述原料多晶料块的制备过程具体优选为：

将制备稀土晶体的氧化物原料经过清洗沉降处理步骤后，得到清洗后的原料；

将上述步骤得到的清洗后的原料进行干燥后，得到干燥后的原料；

将上述步骤得到的干燥后的原料进行混合后，得到混合原料；

在真空或保护性气氛下，将上述步骤得到的混合原料经过烧结后，得到多晶料块。

本发明首先将制备稀土晶体的氧化物原料经过清洗沉降处理步骤后，得到清洗后的原料。

本发明对所述制备稀土晶体的氧化物原料没有特别限制，以本领域技术人员熟知的制备特定的稀土晶体的各种氧化物原料即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述稀土晶体为稀土正硅酸盐稀土晶体时，所述氧化物原料优选为RE₂O₃、二氧化硅、铈的氧化物和镥的氧化物。所述稀土晶体为稀土硅酸盐稀土晶体时，所述氧化物原料优选为RE₂O₃、二氧化硅、铈的氧化物和镥的氧化物。所述稀土晶体为钇铝石榴石稀土晶体时，所述氧化物原料优选为钇的氧化物、三氧化二铝和铈的氧化物。本发明所述RE优选包括Gd、La和Y中的一种或多种。

本发明对所述铈的氧化物没有特别限制，以本领域技术人员熟知的铈的氧化物即可，本发明优选为CeO₂；本发明对所述镥的氧化物没有特别限制，以本领域技术人员熟知的镥的氧化物即可，本发明优选为Lu₂O₃；本发明对所述钇的氧化物没有特别限制，以本领域技术人员熟知的铈的氧化物即可，本发明优选为Y₂O₃。

本发明对所述氧化物原料没有其他特别限制，以本领域技术人员熟知的上述原料的性质即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况进行选择和调整，本发明为进一步降低生产成本，提高产品性能和成品率，优选在所述混合之前，先将氧化物原料分别经过多级结晶工艺进行提纯处理后，即得到高纯原料。本发明对所述多级结晶工艺的定义没有特别限制，以本领域技术人员熟知的多级结晶工艺的定义即可，即多级串级结晶工艺或重结晶法，本发明所述多级结晶工艺优选是指，利用结晶工艺进行原料提纯后，将获得的原料再次结晶，循环多次结晶后获得高纯原料。本发明对所述结晶工艺的具体步骤没有特别限制，以本领域技术人员熟知的结晶工艺步骤即可，本发明优选为液相结晶法、选择结晶法、定向结晶法，更优选为水溶液结晶法。本发明对所述高纯原料的纯度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，本发明优选为大于等于99.995％，更优选为大于等于99.997％，最优选为大于等于99.999％。本发明对所述高纯原料的其他性质没有特别限制，以本领域技术人员熟知的制备稀土晶体的原料的性质即可，本发明所述高纯原料的粒度优选为0.05～30μm，更优选为0.1～25μm，更优选为1～20μm，最优选为5～15μm。

本发明采用多级结晶工艺，即多级串级结晶工艺纯化低成本的稀土原料，得到高纯度的原料，既提高了原料的利用率，又提高了产品的质量和成品率，从而节约了原料成本。

本发明为进一步减少可溶性盐杂质对产品的影响，提高产品性能和成品率，本发明将上述制备稀土晶体的氧化物原料优选经过三级清洗沉降处理步骤后，得到清洗后的原料。

本发明对所述三级清洗沉降处理步骤没有特别限制，以本领域技术人员熟知的清洗步骤即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，特别的，本发明所述三级清洗沉降处理的具体步骤优选为：

I)将制备稀土晶体的氧化物原料放入第一级沉降槽中，用水清洗氧化物原料进行第一次沉降，得到第一级滤液；

II)将上述步骤得到的第一级滤液放入第二级沉降槽中继续沉降，得到第二级滤液；

向第一级沉降槽中第二次注入水清洗氧化物原料进行第二次沉降，得到第一级二次沉降滤液；

III)将上述步骤得到的第二级滤液放入第三级沉降槽中再次沉降，得到第三级滤液；

将上述步骤得到的第一级二次沉降滤液放入第二级沉降槽中继续沉降；

向第一级沉降槽中第三次注入水清洗氧化物原料进行第三次沉降；

IV)将第一级槽底滤物、第二级槽底滤物和第三级槽底滤物收集后，得到清洗后的原料。

本发明对所述水没有特别限制，优选为去离子水。本发明对所述三级清洗沉降处理的次数没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，进一步的，本发明所述三级清洗沉降处理的次数优选为1～8次，更优选为2～7次，更优选为3～6次，最优选为4～5次。在本发明中，上述步骤完成时为第一次，放掉第三级沉降槽中的第三级滤液，将第二级沉降槽中滤液再次放入第三级沉降槽中，将第一级沉降槽中滤液再次放入第二级沉降槽中，再次向第一级沉降槽中注入水沉降时，上述步骤，视为所述三级清洗沉降处理的第二次，以此类推。

本发明对所述沉降的时间及其他参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规沉降时间即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整。

本发明采用上述多级阶梯沉降的方式进行沉降，不仅能够有效的去除各种氧化物原料中的可溶性盐杂质，而且还能最大的减小清洗过程中的损耗量。

本发明又将上述步骤得到的清洗后的原料进行干燥后，得到干燥后的原料。

本发明对所述干燥的方式和条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类原料的干燥方式和条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况进行选择和调整。

本发明再将上述步骤得到的干燥后的原料进行混合后，得到混合原料。

本发明对所述混合的条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的此类反应的混合条件即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料情况进行调整，本发明优选为均匀混合，所述混合的时间优选为24～120h，更优选为30～100h，更优选为40～90h，最优选为60～80h。本发明对所述混合的方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的混合方式，本发明优选采用混料器混合。

本发明对所述氧化物原料之间的比例没有特别限制，以所要制备的稀土晶体的通式的原子比为基准即可，其过程烧失量或其他损失量，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，如稀土晶体为稀土正硅酸盐稀土晶体时，本发明为进一步优化原料组合，降低后续工艺的可操控度，本发明所述RE₂O₃、铈的氧化物和镥的氧化物的质量之和与二氧化硅的质量的比值，即(CeRELu)₂O₃:SiO₂优选为(0.75～1.25)：1，更优选为(0.80～1.2)：1，更优选为(0.85～1.15)：1，最优选为(0.9～1.1)：1；所述铈的氧化物的质量与所述RE₂O₃和镥的氧化物的质量之和的比值，即CeO₂:(RE₂O₃+Lu₂O₃)优选为(0.005～0.04)：1，更优选为(0.01～0.035)：1，更优选为(0.015～0.03)：1，最优选为(0.02～0.025)：1；所述RE₂O₃和镥的氧化物的质量比优选为(0.005～1)：1，更优选为(0.01～0.8)：1，更优选为(0.05～0.5)：1，最优选为(0.1～0.3)：1。

本发明对所述混合原料的其他性质没有特别限制，以本领域技术人员熟知的制备稀土晶体的混合原料的性质即可，本发明所述混合原料的粒度优选为0.05～30μm，更优选为0.1～25μm，更优选为1～20μm，最优选为5～15μm。

本发明通过优化一致熔融区内氧化物原料的组成，进一步细化稀土晶体原料配制的过程中的比例，从而降低后续晶体生长过程中液/固相变温度点，以达到降低稀土晶体生长温度，从而降低能耗的目的。本发明通过调控一致熔融区内氧化物原料组成，将液/固相变温度点从现有的2050℃降低至1750℃左右，能够有效降低后续晶体生长过程的中频电源功率，减少生长过程中的能耗，节约了生产成本，有效的解决了现有稀土硅酸盐稀土晶体制备过程中熔点高(2050℃)，在晶体生长过程中能耗大、贵金属损耗严重的固有缺陷；而且结合后续稀土晶体的生长工艺，共同实现稀土晶体的低成本生长。此外，晶体原料的配制能够有效调控稀土晶体组成的配比，有利于稀土晶体性能的可控调节。

本发明随后在真空或保护性气氛下，将上述步骤得到的混合原料经过烧结后，得到多晶料块。

本发明对所述真空的压力没有特别限制，以本领域技术人员熟知的烧结过程的真空压力即可，本发明所述真空的压力优选为小于等于10Pa，更优选为小于等于1Pa，更优选为小于等于0.3Pa，最优选为0.01～0.3Pa；本发明对所述保护性气氛没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于烧结稀土晶体的保护性气氛即可，本发明所述保护性气氛优选为氮气、惰性气体和还原性气体中的一种或多种，更优选为氮气和还原性气体，最优选为氮气和氢气。

本发明对所述烧结的具体条件没有特别限制，以本领域技术人员熟知的烧结条件即可，本发明所述烧结的温度优选为900～1300℃，更优选为950～1250℃，更优选为1000～1200℃，最优选为1050～1150℃。本发明所述烧结的时间优选为12～20h，更优选为13～19h，更优选为14～18h，最优选为15～17h。本发明对所述烧结的设备没有特别限制，以本领域技术人员熟知的烧结设备即可，本发明优选将所述混合原料放入高纯坩埚中在烧结炉内烧结。

本发明为达到更好的烧结效果，还优选将混合原料先经过压饼后，得到原料饼，再进行烧结。本发明对所述压饼的具体步骤和工艺参数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的烧结前压坯的具体步骤和工艺参数即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，本发明所述压饼的压力优选为20～70MPa，更优选为30～60MPa，最优选为40～50MPa。

本发明对所述引晶操作的具体过程没有特别限制，以本领域技术人员熟知的稀土晶体生长常规的引晶操作过程即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，本发明所述引晶操作优选为使用所述具有特定生长方向的籽晶进行引晶操作，具体可以为进入升温阶段，高纯多晶料开始熔化。在晶料完全熔化后，出现特征液流线。利用外置高温摄像仪能够清晰记录不同时刻熔体表面出现的液流线。晶体生长人员能够根据不同时段的液流线特征结合温度显示判断引晶温度，进行引晶的远程操作。

本发明对所述籽晶没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于制备稀土晶体的籽晶即可，本发明优选为单晶。本发明为提高晶体生长的速率和确定优势生长方向，优选采用具有特定生长方向的籽晶。本发明所述引导的温度(引晶温度)优选为1780～2050℃，更优选为1830～2000℃，更优选为1880～1950℃，更优选为1900～1930℃。

本发明随后在引晶结束后，按照计算获得的生长速率和/或旋转速率，采用提拉法进行晶体生长，同时测量稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；以及测量稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度，最后得到稀土晶体。

本发明对所述生长速率和/或旋转速率的计算方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规计算方法即可，可以采用常规的制备方法制备，也可以市售购买，本发明为完整和优化工艺流程，进一步保证技术方案的效果，所述生长速率和/或旋转速率的计算方法，即计算获得的生长速率和/或旋转速率的具体步骤优选为：

A)依据结晶生长的化学键合理论，参照式(A)，计算稀土晶体的各向异性相对生长速率，再勾画出模拟的稀土晶体的热力学生长形态及其主要暴露晶面；

其中，R_uvw为晶体沿[uvw]方向的相对生长速率；

K为速率常数；

为沿[uvw]方向生长的化学键合能；

A_uvw为生长基元沿[uvw]方向的投影面积；

d_uvw为晶体沿[uvw]方向的台阶高度；

B)基于上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态，确定优势提拉生长方向；

C)根据上述步骤得到的提拉生长方向，确定沿轴向和径向方向的生长界面处的化学键合结构，再依据上述化学键合结构，找出相应的相对生长速率；

D)将上述步骤找出的相应的相对生长速率，结合晶格能，得到稀土晶体生长过程中的生长速率；

E)根据稀土晶体的等径尺寸和生长速率，计算得到稀土晶体的提拉生长速率和/或旋转速率。

本发明对上述式(I)中各参数的定义和选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，符合本领域人员的基础常识。本发明上述各参数的选择范围，适用于所有无机晶体材料，其具体的数值和选择，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求，在工具书或文献中进行选择和调整。

本发明对上述式(I)中各参数的定义和选择没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，符合本领域人员的基础常识。本发明上述各参数的选择范围，适用于所有无机晶体材料，其具体的数值和选择，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求，在工具书或文献中进行选择和调整。

本发明对所述模拟的具体方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的利用各向异性相对生长速率进行模拟的方法即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整。

本发明上述步骤得到了模拟的稀土晶体的热力学生长形态，然后基于此热力学生长形态，确定优势提拉生长方向。本发明上述步骤得到了土稀土晶体的各向异性相对生长速率，并进行模拟，如计算机模拟，得到了稀土晶体的热力学生长形态模型，基于此，可以确定提拉生长方向。

本发明对所述稀土晶体的提拉生长方向的概念没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，本发明所述提拉生长方向优选是指热力学上最优的提拉生长方向。

本发明对所述稀土晶体的提拉生长方向没有特别限制，以本领域技术人员根据上述算式计算即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，具体的，本发明所述稀土晶体为稀土掺杂钇铝石榴石晶体时，所述热力学生长形态暴露的晶面优选为{100}、{110}和{111}晶面。本发明所述稀土晶体为稀土掺杂钇铝石榴石晶体时，所述优势提拉生长方向优选为[100]、[010]和[111]方向。

本发明再根据上述步骤得到的提拉生长方向，确定沿轴向和径向方向的生长界面处的化学键合结构，再依据上述化学键合结构，找出相应的相对生长速率；然后将上述步骤找出的相应的相对生长速率，结合晶格能，得到稀土晶体生长过程中的生长速率；最后根据稀土晶体的等径尺寸和生长速率，计算得到稀土晶体的提拉生长速率和/或晶体旋转速率。

本发明确定了沿轴向和径向方向的生长界面处的化学键合结构，有利于设计合适的生长环境，在晶体个体后续的生长界面处构造相应的化学键合结构。

本发明对所述稀土晶体的晶体生长速率的概念没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，本发明所述晶体生长速率优选是指单位时间内晶体质量的增加量，具体的，所述稀土晶体的晶体生长速率更优选是指稀土晶体生长过程中热力学允许的最快生长速率。

本发明对所述稀土晶体的提拉生长速率的概念没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规定义即可，本发明所述提拉生长速率优选是指提拉法中单位时间内具有特定尺寸晶体上升的线速率，晶体尺寸大、提拉速率大的生长产生高的晶体生长速率。本发明所述晶格能是指破坏1mol晶体，使它变成完全分离的气态自由离子所需要消耗的能量，其具体数值可以通过计算或工具书、文献中得到。

本发明对所述稀土晶体生长过程中的生长速率的具体数值没有特别限制，本领域技术人员参照前述描述进行计算和模拟即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述稀土晶体生长过程中的生长速率优选为40～70g/h，更优选为45～65g/h，更优选为50～60g/h。

本发明对所述稀土晶体的提拉生长速率的具体数值没有特别限制，本领域技术人员参照前述描述进行计算和模拟即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述稀土晶体的提拉生长速率优选为2.5～8.0mm/h，更优选为3.0～7.5mm/h，更优选为3.5～7.0mm/h，更优选为4.0～6.5mm/h，更优选为4.5～6.0mm/h，也可以为5.0～5.5mm/h。

本发明对所述稀土晶体的旋转速率的具体数值没有特别限制，本领域技术人员参照前述描述进行计算和模拟即可，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明所述稀土晶体的旋转速率优选为6～30rpm，更优选为10～26rpm，更优选为14～22rpm，更优选为16～20rpm。

本发明在上述晶体生长的过程中，同时还测量稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；以及测量稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度，最后得到稀土晶体。

本发明对上述测量的具体方法没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际应用情况、原料情况和产品要求进行选择和调整，本发明为提高整体工艺的准确性，完整和优化工艺路线，所述测量的具体过程具体优选为：

在水平径向方向上，测量a个点的温度值，得到熔体的径向温度梯度分布；在垂直轴向方向上，测量垂直空间上b个点的温度值，得到空间上的轴向温度梯度分布；

其中，a选自2～20的正整数；

所述a个点之间为等距离设置；所述等距离为n，所述n为1～10mm；

所述a个点中，第一个点距离熔体中心的距离为n；

其中，b选自2～20的正整数；

所述b个点之间为等距离设置；所述等距离为m，所述m为1～10mm；

所述b个点中，第一个点距离熔体中心的距离为m。

本发明所述a优选自2～20的正整数，更优选为3～15的正整数，更优选为3～10的正整数，最优选为4～8的正整数。本发明所述b优选自2～20的正整数，更优选为3～15的正整数，更优选为3～10的正整数，最优选为4～8的正整数。

本发明对所述a个点的设置方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的设置方式即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，本发明所述a个点之间优选为等距离设置；所述等距离优选为n，所述n优选为1～10mm，更优选为2～9mm，更优选为4～7mm，最优选为5～6mm。本发明对所述b个点的设置方式没有特别限制，以本领域技术人员熟知的设置方式即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、原料组成以及产品性能要求进行选择和调整，本发明所述b个点之间优选为等距离设置；所述等距离优选为m，所述m优选为1～10mm，更优选为3～8mm，更优选为4～7mm，最优选为5～6mm。本发明所述a个点中，第一个点距离熔体中心的距离优选为n；本发明所述b个点中，第一个点距离熔体中心的距离优选为m。

具体可以为：

测温仪测量熔体中心和距离熔体中心a个位置的熔体温度(a优选为10、20、30、40、50、60、70、80、90和100mm中的一处或多处)的温度，从而测算径向温度梯度分布。测温仪测量熔体中心和垂直距离熔体中心b个位置的惰性/还原性气体温度(b优选为10、20、30、40、50和60mm中的一处或多处)的温度，测算轴向温度梯度分布。

本发明最后将上述步骤测算的轴向温度梯度和径向温度梯度，与上述技术方案任意一项中所推算的轴向温度梯度和径向温度梯度进行分别比对，选择是否修正。

本发明对所述比对的方法没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求以及产品性能要求进行选择和调整，本发明所述比对的具体方式为：

当比对的偏差超过±10％时，对稀土晶体生长设备中的温度场结构进行修正；

当比对的偏差小于等于±10％时，则维持稀土晶体生长设备中的温度场结构的设计。

本发明对所述修正的具体方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规的修正方法即可，本领域技术人员可以根据实际生产情况、质量要求以及产品性能要求进行选择和调整，在本发明中，由于在同一高度水平面上，所述径向温度梯度随r值优选进行线性地变化。当h＞0时，随r的增大而减小，晶体侧面边缘处温度梯度减小。为保证晶体生长热力学上的推动力，应优选减小保温结构的保温性能，可以通过选择热导率高的保温材料，即增加保温材料的热导率，和/或减少保温结构的壁厚等外形结构来实现。当h＜0时，随r的增大而增加，晶体侧面边缘处的温度梯度大于晶体中心轴处的温度梯度。为保证晶体生长热力学上的推动力的稳定，应优选增加保温结构的保温性能，可以通过选择热导率低的保温材料，即减少保温材料的热导率，和/或增加保温结构的壁厚等外形结构来实现。因而，修正的方向也优选通过调整保温材料几何形状和材质来实现，从而进一步的优化温度场结构。

本发明上述步骤提供了用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法以及稀土晶体的生长工艺，利用晶体生长过程中的传热方程计算理论温度梯度，结合实际生长中的温度梯度，设计并固定不同的温度场结构，温度场结构的设计方法可以作为计算软件，或稀土晶体生长设备的前端计算软件，利用含有本发明的温度场结构的设计方法的软件输出预设的不同尺寸稀土晶体生长所需的温度场结构，进行前端控制，然后程序升温，进入升温阶段，高纯多晶料开始熔化。在晶料完全熔化后，出现特征液流线。利用外置高温摄像仪能够清晰记录不同时刻熔体表面出现的液流线。晶体生长人员能够根据不同时段的液流线特征结合温度显示判断引晶温度，进行引晶的远程操作。引晶结束后，按照前端计算软件计算的晶体理论，计算获得的不同生长尺寸中的生长参数，进行晶体生长，同时测量径向温度梯度和轴向温度梯度，得到稀土晶体。最后再将测量结果与前端的设计结果进行比对，从而修正和优化，形成一套完整的环路的设计、计算和生产的理论与实际相结合的系统。本发明有效的解决了稀土晶体生长技术设计周期长、生长参数需要反复优化等问题，尤其是大尺寸稀土晶体在上述方面存在的问题。

实验结果表明，利用本发明所描述的温度场结构的设计方法及低成本稀土晶体的生长工艺能够在1炉次晶体生长的基础上实现稀土晶体生长所需的温度场结构，主要包括保温材料的选择和几何结构，避免了经验式设定需要多炉次反复生长进行优化，极大缩短研发周期；该温度场结构的搭建保障稀土晶体生长的同时提高晶体的成品率10％以上；此外，针对等径尺寸30～90mm稀土晶体生长过程，在设计的温度场结构下实现2.5～8.0mm/h的快速生长，比经验式设定值提高1倍以上，能够显著缩短稀土晶体的生长周期。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种温度场结构的设计方法及低成本稀土晶体的生长工艺进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

实施例1

将纯度高于99.995％的Lu₂O₃、Y₂O₃、SiO₂、CeO₂粉料，依据硅酸钇镥晶体生长过程中一致熔融区氧化物原料组成Lu₂O₃:Y₂O₃:SiO₂:CeO₂＝0.83:0.16:1:0.01配比称料，进行充分混料，在45MPa下压制成原料饼，将原料饼放入高纯坩埚后在惰性气氛保护下1200℃下烧结形成多晶料块。

利用结晶生长的化学键合理论计算确定优势生长方向[010]，将3000g依次晶料块累叠装入上述晶体生长炉膛中的Ir坩埚内，在籽晶杆前端装入[010]方向的籽晶。

利用晶体生长理论计算φ30mm的Ce:LYSO晶体沿[010]方向的提拉生长速率3.8～6.2mm/h，旋转速率8～16rpm。炉膛抽真空后充入部分还原性气氛Ar+H₂气作为保护气，升温熔料。引晶结束后，按照计算获得的生长速率和旋转速率实现稀土闪烁晶体的快速生长，晶体的提拉生长速率为3.0～5.5mm/h，旋转速率8～16rpm。远程执行“引晶”操作，经过反复调控，得到合适的温度梯度，在籽晶刚刚接触熔体液面时，略有生长，证明生长温度合适。经历“缩颈”操作后，晶体进入生长阶段，利用远程观测功能原位监测生长全过程。

上述步骤之前，先通过理论计算获得温度梯度：轴向温度梯度0.19～1.24℃/mm，径向温度梯度-0.30～2.92℃/mm，经过计算后搭建具体生长设备内的温度场结构，选择圆筒状/半圆筒状/半圆板状/圆板状硅质、刚玉质、铝镁质和锆质保温材料，进行积木式逐级搭建温度场结构，尺寸需要和生长炉上的感应加热线圈相匹配，以方便放入生长炉中。

生长过程中，利用双色红外测温仪测量晶体/熔体界面距离熔体中心x＝5,10,20,30mm位置的熔体温度，测算径向温度梯度0.40,0.67,1.28℃/mm。利用双色红外测温仪测量熔体中心和垂直距离熔体中心y＝5,10,20,30mm位置的惰性气体温度，测算轴向温度梯度为-0.72,-1.21,-2.88℃/mm。

和计算值进行比对，发现偏差在±10％以内，固定该温度场结构。和计算值进行比对，发现偏差在±10％以内，固定该温度场结构。重复生长3次，均可得到外观完整的Ce:LYSO稀土晶体。

对本发明上述步骤制备的稀土晶体进行检测，参见图1，图1为本发明实施例1制备的稀土晶体的XRD谱图。由图1可知，本发明上述步骤制备的稀土晶体质量良好。

实施例2

将纯度高于99.995％的Lu₂O₃、SiO₂、CeO₂粉料，依据硅酸钇镥晶体生长过程中一致熔融区氧化物原料组成Lu₂O₃:SiO₂:CeO₂＝0.99:1:0.01配比称料，进行充分混料，在45MPa下压制成原料饼，将原料饼放入高纯坩埚后在惰性气氛保护下1250℃下烧结形成多晶料块。

利用结晶生长的化学键合理论计算确定优势生长方向[010]，将5500g依次晶料块累叠装入上述晶体生长炉膛中的Ir坩埚内，在籽晶杆前端装入[010]方向的籽晶。

利用晶体生长理论计算φ45mm的Ce:LSO晶体沿[010]方向的提拉生长速率2.8～5.0mm/h，旋转速率10～18rpm。炉膛抽真空后充入部分还原性气氛Ar+H₂气作为保护气，升温熔料。引晶结束后，按照计算获得的生长速率和旋转速率实现稀土闪烁晶体的快速生长，晶体的提拉生长速率为2.8～5.0mm/h，旋转速率10～18rpm。远程执行“引晶”操作，经过反复调控，得到合适的温度梯度，在籽晶刚刚接触熔体液面时，略有生长，证明生长温度合适。经历“缩颈”操作后，晶体进入生长阶段，利用远程观测功能原位监测生长全过程。

上述步骤之前，先通过理论计算获得温度梯度：轴向温度梯度0.21～3.08℃/mm，径向温度梯度-0.32～4.46℃/mm，经过计算后搭建具体生长设备内的温度场结构，选择圆筒状/半圆筒状/截顶锥状硅质、硅酸铝质、刚玉质和锆质保温材料，进行积木式逐级搭建温度场结构，尺寸需要和生长炉上的感应加热线圈相匹配，以方便放入生长炉中。

生长过程中，利用双色红外测温仪测量晶体/熔体界面距离熔体中心x＝5,10,20,30,40,45mm位置的熔体温度，测算径向温度梯度0.44,0.72,1.34,2.20,2.96℃/mm。利用双色红外测温仪测量熔体中心和垂直距离熔体中心y＝5,10,20,30,40mm位置的惰性气体温度，测算轴向温度梯度为-0.78,-1.24,-2.98,-4.54℃/mm。

和计算值进行比对，发现偏差在±10％以内，固定该温度场结构。重复生长3次，均可得到外观完整的Ce:LSO稀土晶体。

实施例3

将纯度高于99.995％的Lu₂O₃、Y₂O₃、SiO₂、CeO₂粉料，依据硅酸钇镥晶体生长过程中一致熔融区氧化物原料组成Lu₂O₃:Y₂O₃:SiO₂:CeO₂＝0.83:0.16:1:0.01配比称料，进行充分混料，在45MPa下压制成原料饼，将原料饼放入高纯坩埚后在惰性气氛保护下1200℃下烧结形成多晶料块。

利用结晶生长的化学键合理论计算确定优势生长方向[010]，将8200g依次晶料块累叠装入上述晶体生长炉膛中的Ir坩埚内，在籽晶杆前端装入[010]方向的籽晶。

利用晶体生长理论计算φ65mm的Ce:LYSO晶体沿[010]方向的提拉生长速率2.4～4.5mm/h，旋转速率10～24rpm。炉膛抽真空后充入部分还原性气氛Ar+H₂气作为保护气，升温熔料。引晶结束后，按照计算获得的生长速率和旋转速率实现稀土闪烁晶体的快速生长，晶体的提拉生长速率为2.4～4.5mm/h，旋转速率10～24rpm。远程执行“引晶”操作，经过反复调控，得到合适的温度梯度，在籽晶刚刚接触熔体液面时，略有生长，证明生长温度合适。经历“缩颈”操作后，晶体进入生长阶段，利用远程观测功能原位监测生长全过程。

上述步骤之前，先通过理论计算获得温度梯度：轴向温度梯度0.21～5.24℃/mm，径向温度梯度-0.32～7.88℃/mm，经过计算后搭建具体生长设备内的温度场结构，选择圆筒状/半圆筒状/板状硅质、刚玉质和锆质保温材料，进行积木式逐级搭建温度场结构，尺寸需要和生长炉上的感应加热线圈相匹配，以方便放入生长炉中。

生长过程中，利用双色红外测温仪测量晶体/熔体界面距离熔体中心x＝5,10,20,30,40,50,60,65mm位置的熔体温度，测算径向温度梯度0.44,0.72,1.34,2.28,3.52,5.19℃/mm。利用双色红外测温仪测量熔体中心和垂直距离熔体中心y＝5,10,20,30,40,50,60,70mm位置的惰性气体温度，测算轴向温度梯度为-0.78,-1.24,-2.18,-3.62,-5.56,-7.94℃/mm。

和计算值进行比对，发现偏差在±10％以内，固定该温度场结构。重复生长3次，均可得到外观完整的Ce:LYSO稀土晶体。

以上对本发明提供的一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法及低成本稀土晶体的生长工艺进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于稀土晶体生长工艺的温度场结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)推算稀土晶体生长过程中，晶体生长空间内的温度梯度值；

所述温度梯度值包括轴向温度梯度和径向温度梯度；

2)根据上述步骤得到的温度梯度值、保温材料的热导率以及保温材料的外形结构，经计算后，得到用于稀土晶体生长工艺的温度场结构。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

11)假定晶体生长过程中的热场为稳态温度场，根据热传输方程，得到稳态温度场中晶体的热传导方程，再代入圆柱形坐标系，得到式(I)所示的关系式，

其中，r、和z为晶体的空间变量，T为温度；

12)引入温度函数θ(r,z)代替T(r,z)，则θ(r,z)＝T(r,z)-T₀，得到式(II)所示的关系式，

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13)根据上述步骤得到的式(II)，建立如下边界条件：

当z＝0时，θ＝T_m-T₀；

当z＝1时，

当z＝r_a时，

其中，r_a为晶体的半径，K为热传导系数，T_m为平衡温度，ε为热交换系数，ε₀为对流热交换系数，ε_R为辐射热交换系数，ε＝ε₀+ε_R；

当ε/K很小时，得到满足边界条件的微分方程近似解式(III)，

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其中，θ_m为平衡温度函数，h＝ε/K；

14)根据上述步骤得到的式(III)，得到晶体生长空间内的轴向温度梯度如式(IV)所示；以及晶体生长空间内的径向温度梯度如式(V)所示，

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3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，在同一高度水平面上，所述径向温度梯度随r线性地变化；

当h＞0时，随r的增大而减小，晶体侧面边缘处温度梯度减小；

当h＜0时，随r的增大而增加，晶体侧面边缘处的温度梯度大于晶体中心轴处的温度梯度。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述保温材料包括硅质保温材料、硅酸铝质保温材料、刚玉质保温材料、镁钙质保温材料、铝镁质保温材料、镁硅质保温材料和锆质耐火材料保温材料中的一种或多种；

所述计算的方法包括回归分析、参数校正和数值比对中的一种或多种。

5.低成本稀土晶体的生长工艺，其特征在于，包括以下步骤，

a)在搭建有权利要求1～4任意一项所设计的温度场结构的稀土晶体生长设备中，在真空或保护性气氛下，将原料多晶料块进行熔化，在出现特征液流线时，进行引晶操作；

b)引晶结束后，按照计算获得的生长速率和/或旋转速率，采用提拉法进行晶体生长，同时测量稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；以及测量稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度，最后得到稀土晶体；

c)将上述步骤测算的轴向温度梯度和径向温度梯度，与权利要求1～4任意一项中所推算的轴向温度梯度和径向温度梯度进行分别比对，选择是否修正。

6.根据权利要求5所述的生长工艺，其特征在于，所述生长速率和/或旋转速率，具体由以下步骤计算后得到，

A)依据结晶生长的化学键合理论，参照式(A)，计算稀土晶体的各向异性相对生长速率，再勾画出模拟的稀土晶体的热力学生长形态及其主要暴露晶面；

其中，R_uvw为晶体沿[uvw]方向的相对生长速率；

K为速率常数；

为沿[uvw]方向生长的化学键合能；

A_uvw为生长基元沿[uvw]方向的投影面积；

d_uvw为晶体沿[uvw]方向的台阶高度；

B)基于上述步骤得到的模拟的稀土晶体的热力学生长形态，确定优势提拉生长方向；

C)根据上述步骤得到的提拉生长方向，确定沿轴向和径向方向的生长界面处的化学键合结构，再依据上述化学键合结构，找出相应的相对生长速率；

D)将上述步骤找出的相应的相对生长速率，结合晶格能，得到稀土晶体生长过程中的生长速率；

E)根据稀土晶体的等径尺寸和生长速率，计算得到稀土晶体的提拉生长速率和/或旋转速率。

7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述稀土晶体为稀土掺杂钇铝石榴石晶体时，所述热力学生长形态主要暴露的晶面为{100}、{110}和{111}晶面；

所述优势提拉生长方向为[100]、[010]和[111]方向。

8.根据权利要求5所述的生长工艺，其特征在于，所述引晶操作的温度为1780～2050℃；

所述稀土晶体的提拉生长速率为2.5～8.0mm/h；

所述稀土晶体的旋转速率为6～30rpm。

9.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述稀土晶体包括稀土激光晶体和稀土闪烁晶体；

所述稀土闪烁晶体包括稀土正硅酸盐晶体、稀土硅酸盐晶体、稀土掺杂钇铝石榴石晶体和稀土掺杂镥铝石榴石中的一种或多种；

所述稀土晶体为类圆柱体，所述稀土晶体的等径尺寸为30～85mm；所述稀土晶体的长度为60～300mm。

10.根据权利要求5～9任意一项所述的计算方法，其特征在于，所述测量稀土晶体的熔体中心和距离熔体中心多个不同位置的熔体温度，测算径向温度梯度；以及测量稀土晶体的熔体中心和垂直距离熔体中心多个不同位置的环境温度，测算轴向温度梯度的具体步骤为：

在水平径向方向上，测量a个点的温度值，得到熔体的径向温度梯度分布；在垂直轴向方向上，测量垂直空间上b个点的温度值，得到空间上的轴向温度梯度分布；

其中，a选自2～20的正整数；

所述a个点之间为等距离设置；所述等距离为n，所述n为1～10mm；

所述a个点中，第一个点距离熔体中心的距离为n；

其中，b选自2～20的正整数；

所述b个点之间为等距离设置；所述等距离为m，所述m为1～10mm；

所述b个点中，第一个点距离熔体中心的距离为m；

所述比对的具体方式为：

当比对的偏差超过±10％时，对稀土晶体生长设备中的温度场结构进行修正；

当比对的偏差小于等于±10％时，则维持稀土晶体生长设备中的温度场结构的设计。