CN110230089A - 一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，包括以下步骤：a)贵金属坩埚的选择、b)原料制备及处理、c)化料缩颈、d)肩部成形和e)柱体成形，缩颈后，进行手动大放肩角或平放肩操作，设定曲线降温参数，曲线降温速率根据不同的晶体习性进行设定，提拉速度为0时，也即是平放肩操作时，可以利用肉眼或可视设备观察晶体生长直径，提拉速度不为0时，也即是大放肩角操作时，可参考重量变化来计算直径。通过上述方式，本发明所述的基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，特别采用了手动大放肩角或平放肩操作，利用曲线降温和提拉速度的控制，实现柱体顶部的大放肩角或平放肩，减少了晶体加工时的浪费问题。

Description

一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法
技术领域
本发明涉及晶体生产技术领域，特别是涉及一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法。
背景技术
闪烁材料是一种吸收高能光子后发出可见光的光功能材料，被广泛应用于高能物理(如精密电磁量能器) 、核医学(如X-CT、PET及γ相机) 、工业应用(CT探伤) 、空间物理、地质勘探等领域。目前，数量最多、应用最广的为无机闪烁体。而无机闪烁体又可以分为本征闪烁体和掺杂闪烁体。随着人们对闪烁晶体更加深入的认识以及晶体生长技术的发展，高熔点掺杂闪烁体由于高光产额、衰减时间短、稳定性好、抗辐照能力强等优点，成为新一代闪烁晶体的研究重点。特别是以Ce3+为发光中心的闪烁材料，由于Ce3+离子5d-4f之间的能量间隙约3.4eV，处于基质晶体禁带内，且其能级间的跃迁属于允许电偶极跃迁，故衰减时间短，约为10~60ns，更是成为新一代无机闪烁体研究的重中之重。
目前研究的高温掺铈闪烁晶体主要有掺铈硅酸镥Lu2SiO5:Ce（LSO:Ce）、掺铈硅酸钇镥(Lu(1-x)Yx)2SiO5:Ce(LYSO:Ce)、掺铈镥铝石榴石Lu3Al5O12:Ce（LuAG:Ce）等。Ce3+掺杂的高熔点闪烁晶体具有高光输出、快光衰减、抗辐照损伤等优点，是新一代闪烁体的代表，特别是掺铈硅酸钇镥晶体LYSO:Ce被认为综合性能最好的无机闪烁体。
但由于高温闪烁晶体的熔点都超过1800℃，所以其生长是极其困难的，无法采用铂金坩埚主导的下降法生长，目前的生长方法主要用提拉法。提拉法利用籽晶从熔体中旋转提拉生长晶体，能在短时间内生长出高质量的单晶体，是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。利用提拉法生产晶体具有如下优点：
生长过程中可方便观察晶体生长情况；
晶体在熔体表面生长，不与坩埚接触，显著减小晶体的应力；
可以方便的使用缩颈工艺，减少晶体的位错密度，提高晶体的完整性；
籽晶杆旋转搅拌熔体，可以使熔体内组分均匀，控制分凝，也可以在一定程度上降低熔体的温度梯度，减少晶体内应力。
利用提拉法生产晶体的缺点如下：
组分分压偏差严重的晶体不适合；
径向温度梯度不太大，不适合大直径晶体生长；
晶体生长后期容易发生固液面翻转，晶体尾部易出现气泡、团和散射颗粒。
传统的提拉法生长工艺主要包括升温化料、接种、引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾、降温。其中最重要的为引晶、缩颈、放肩三个阶段，目前引晶、缩颈阶段还没有完全实现自动控制，只能人为手动微调控制炉内温度和提拉情况来完成，这就对晶体生长人员提出了较高的技术和经验要求。
放肩阶段常用的放肩角度有30度、60度、90度，目前提拉法晶体生长放肩角多采用60度左右的。假设晶体放肩角60度，等径直径为60mm，晶体的肩部就是高约50mm底面直径60mm的圆锥体，如果晶体的密度为7g/ml，此圆锥体的质量约为1300g，但是圆锥体的加工取材率远低于圆柱体，换言之加工过程有很大一部分的肩部被浪费掉。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，减小放肩部分圆锥体的体积，提升晶体的成品率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，包括以下步骤：
a) 贵金属坩埚的选择，根据晶体的种类，选择合适的贵金属坩埚用于感应提拉生长；
b) 原料制备及处理，根据晶体的种类，进行原料的配置；
c) 化料缩颈，利用提拉设备和炉体搭建温场，将原料倒入贵金属坩埚，升温化料，然后依次进行接种、引晶和缩颈；
d) 肩部成形，缩颈后，进行手动大放肩角或平放肩操作，设定曲线降温参数，曲线降温速率根据不同的晶体习性进行设定，提拉速度为0时，也即是平放肩操作时，可以利用肉眼或可视设备观察晶体生长直径，提拉速度不为0时，也即是大放肩角操作时，可参考重量变化来计算直径；
e) 柱体成形，当手动放肩到需要的圆柱尺寸时，退出曲线降温，设定提拉生长速度，进行等径生长、收尾和降温。
在本发明一个较佳实施例中，所述贵金属坩埚包括铱金属坩埚、铂金属坩埚和钨金属坩埚。
在本发明一个较佳实施例中，所述缩颈过程中，采用手动微调熔液温度的方式完成缩颈。
在本发明一个较佳实施例中，所述等径生长采用自动或手动操作。
在本发明一个较佳实施例中，所述手动大放肩角或平放肩操作时，手动降温期间可调整晶转速度，但晶转不为0。
在本发明一个较佳实施例中，所述大放肩角操作时，以每小时直径放大1-2mm为宜。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，特别采用了手动大放肩角或平放肩操作，利用曲线降温和提拉速度的控制，实现柱体顶部的大放肩角或平放肩，大大缩小了圆锥体的体积，减少了晶体加工时的浪费问题。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了提高晶体的利用率，我们提出平放肩的晶体生长方法，目的是使晶体生长的绝大部分为圆柱体。
提拉法晶体生长控制程序多是由提拉质量为变化量来控制坩埚的感应发热量，即提拉法生长晶体需要有不断提拉的过程，以保证晶体质量的增加。但是如果要使肩部的圆锥体尽量小，放肩角就要越大越好，理想状态为180度，这就要求在平放肩的过程中只能微提拉或者不提拉，即对应的提拉质量会很小，这种情况对自动控制程序是很不利的。换言之：
a.提拉法程序控制无法做到平放肩，因为拉速为0在提拉法是不被允许的，拉速为0需要类似于泡生法晶体生长方式；
b.大放肩角对于提拉法也是难实现的，因为晶体直径从籽晶到等径所需的时间不能太短，否则会严重影响晶体质量，这就要求大放肩角情况下的提速速度要小，从而提拉质量变化率也会变得很小，要达到同样的自动温控效果，就需要把控制参数的比例和积分都加强，这就使细微的波动或干扰都会被放大，从而引起不期望的温度波动，很不利于保证晶体质量。
为了使肩部圆锥体尽量小，我们在提拉法生长中引入泡生法晶体生长理念，在放肩部分采用大放肩角甚至平放肩角，并使提拉速度很小或为0。为了避开质量变化量波动和其它干扰对自动控制的影响，在放肩阶段放弃程序自动控制，而采用曲线降温的方式。为了达到大放肩角甚至平放肩角，需要做好以下几点：
1.更好的技术和经验把引晶、缩颈步骤做的更好，否则可能在放肩的初期就出现回熔或过分生长引起的多晶；
2.摸索合适曲线降温速率以保证晶体质量，合适的晶体生长参数如温场结构、转速、拉速、生长气氛等；
3.需要寻找合适时机进行等径自动控制。
本发明实施例包括：
一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，包括以下步骤：
a) 贵金属坩埚的选择，根据晶体的种类，选择合适的贵金属坩埚用于感应提拉生长，所述贵金属坩埚包括铱金属坩埚、铂金属坩埚和钨金属坩埚；
b) 原料制备及处理，根据晶体的种类，进行原料的配置；
c) 化料缩颈，利用提拉设备和炉体搭建温场，将原料倒入贵金属坩埚，升温化料，然后依次进行接种、引晶和缩颈；
d) 肩部成形，采用手动微调熔液温度的方式完成缩颈后，进行手动大放肩角或平放肩操作，设定曲线降温参数，曲线降温速率根据不同的晶体习性进行设定，提拉速度为0时，也即是平放肩操作时，可以利用肉眼或可视设备观察晶体生长直径，提拉速度不为0时，也即是大放肩角操作时，可参考重量变化来计算直径，以每小时直径放大1-2mm为宜，手动降温期间可调整晶转速度，但晶转不为0；
e) 柱体成形，当手动放肩到需要的圆柱尺寸时，退出曲线降温，设定提拉生长速度，进行等径生长（自动或手动操作）、收尾和降温。
下面以平放肩生长LYSO晶体为例，具体对生产方法进行说明：
a) 贵金属坩埚的选择，选择铱金属坩埚用于晶体生长；
b) 原料制备及处理，按一定配方制备掺铈硅酸钇镥(Lu(1-x)Yx)2SiO5:Ce原料；
c) 化料缩颈，将制备好的掺铈硅酸钇镥(Lu(1-x)Yx)2SiO5:Ce原料投入搭建好温场的铱金属坩埚内，安装好籽晶，并调整晶转提拉系统，先进行升温化料，再依次进行接种、引晶和缩颈；
d) 肩部成形，在手动微调熔液温度进行缩颈后，进行手动平放肩操作，设定曲线降温为100w/h，提拉速度为0时（即平放肩）可肉眼或可视设备观察晶体生长直径，每小时直径放大约1.5mm，转速为6rpm；
e) 柱体成形，当平放肩到直径约75mm时，退出曲线降温，设定提拉生长速度1mm/h，进行等径生长，得到柱体，然后收尾和降温，降温结束取出晶体。
综上所述，本发明指出的一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，实现了柱体顶部的大放肩角甚至平放肩角，加工取材率高，减少了晶体的浪费。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a) 贵金属坩埚的选择，根据晶体的种类，选择合适的贵金属坩埚用于感应提拉生长；
b) 原料制备及处理，根据晶体的种类，进行原料的配置；
c) 化料缩颈，利用提拉设备和炉体搭建温场，将原料倒入贵金属坩埚，升温化料，然后依次进行接种、引晶和缩颈；
d) 肩部成形，缩颈后，进行手动大放肩角或平放肩操作，设定曲线降温参数，曲线降温速率根据不同的晶体习性进行设定，提拉速度为0时，也即是平放肩操作时，可以利用肉眼或可视设备观察晶体生长直径，提拉速度不为0时，也即是大放肩角操作时，可参考重量变化来计算直径；
e) 柱体成形，当手动放肩到需要的圆柱尺寸时，退出曲线降温，设定提拉生长速度，进行等径生长、收尾和降温。
2.根据权利要求1所述的基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，其特征在于，所述贵金属坩埚包括铱金属坩埚、铂金属坩埚和钨金属坩埚。
3.根据权利要求1所述的基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，其特征在于，所述缩颈过程中，采用手动微调熔液温度的方式完成缩颈。
4.根据权利要求1所述的基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，其特征在于，所述等径生长采用自动或手动操作。
5.根据权利要求1所述的基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，其特征在于，所述手动大放肩角或平放肩操作时，手动降温期间可调整晶转速度，但晶转不为0。
6.根据权利要求1所述的基于提拉法的提高晶体利用率的生产方法，其特征在于，所述大放肩角操作时，以每小时直径放大1-2mm为宜。
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