CN1295386C - 硅酸钆单晶体的生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅酸钆单晶体的生长方法，其特征在于该方法的关键是在提拉法生长硅酸钆单晶体的收尾阶段采用如下程序：在GSO或者Ce∶GSO晶体生长后期，即晶体等径部分的长度达到预定尺寸后，按5—50℃/h的升温程序进行晶体的升温生长，晶体的直径逐渐变细，待晶体尾部直径达到与籽晶尺寸相同时，恒温生长约5—30mm长度后，再开始采用缓慢的降温程序将GSO或者Ce∶GSO晶体降至室温，最后取出GSO或者Ce:GSO晶体。本发明一方面避免了单晶生长结束时快速提拉或手动提拉造成晶体的开裂；另一方面，由于收尾程序使晶体尾部的形状与肩部对称一致，极大地提高了晶体散热的均匀性，减少了GSO或者Ce∶GSO晶体的开裂和解理的几率。从而极大地提高了GSO和Ce∶GSO等晶体的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及硅酸钆晶体，特别是一种提拉法生长硅酸钆(Gd2SiO5，以下简称GSO)晶体的方法。具体地讲，是在晶体生长后期，采取特殊的收尾工艺使晶体的尾部与肩部形状对称一致，以减少晶体开裂的几率。所生长的GSO晶体可以广泛应用于高能物理、核物理、核医学、油井探测以及安全检测等领域。
背景技术
硅酸钆(Gd2SiO5，或GSO)是一种优良的发光基质晶体材料，稀土离子掺杂的GSO单晶体具有较好的发光性能。例如稀土铈离子(Ce)掺杂的GSO晶体(Ce:GSO)就是一种性能优良的高温闪烁晶体，该晶体具有高光输出(8000Ph/MeV)、快时间衰减(60ns)、大有效原子序数(Z＝59)和高密度(ρ＝6.71g/cm3)等特性，同时Ce:GSO晶体的抗辐照能力强，也不易潮解。因此，Ce:GSO在高能物理核物理、影像核医学(PET)、油井勘测等领域有着广泛的应用前景。
硅酸钆晶体属于一致熔融化合物，熔点约为1950℃，因此通常采用感应加热铱坩埚提拉法生长GSO或者掺杂GSO单晶体。由于硅酸钆晶体属于P21/c结构，沿(100)面解理，并且硅酸钆有非常严重的各向异性(热涨系数b轴是a和c轴的两倍)(参见Journal of Crystal Growth 109(1991)第386页)。所以，在提拉法生长GSO晶体过程中很容易出现晶体开裂、解理等(参见Kurata等人申请的美国专利，专利号5,667,583)。
在先技术中，提拉法生长GSO晶体或者掺杂的GSO晶体时，在晶体等径尺寸达到预定长度尺寸时，常常采用快提拉速度或者采用手动提拉将晶体与熔体脱离，至此晶体生长结束(参见Kurata等人申请的美国专利，专利号5,690,731；参见1997年Proceedings of the Internatial Conference on Inorganic Scintillators andtheir Applications，第295-298页)。在先技术生长后期采取的快提拉使晶体与熔体脱离具有下列缺点：第一，由于固液界面处的温度较高(约1950℃)，温度梯度较大(50-200℃/mm)，脱离熔体的GSO晶体将在很短的时间内经受较大的热冲击(晶体与熔体距离一般约为2-5mm)，很容易使GSO晶体解理、开裂；第二，脱离熔体的GSO晶体的下端常常呈微凸或者平坦的界面，此时晶体主要靠辐射和热对流与熔体进行热交换，同时晶体将热量通过晶体的肩部和籽晶导走，由于导热的不均匀性(下部近平界面，上部呈园锥形，如图1所示)，很容易造成GSO晶体的开裂解理。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种硅酸钆单晶体的生长方法，以减少晶体开裂解理的几率。
本发明的技术解决方案是：
一种硅酸钆单晶体的生长方法，其特点是在提拉法中采取下列收尾程序：在GSO或者Ce:GSO晶体生长后期，即晶体等径部分的长度达到预定尺寸后，通过缓慢的升温程序5-50℃/h进行晶体的升温生长，由于晶体的吸热大于晶体的散热，晶体将会形成与肩部相对称一致的圆锥形状，直径逐渐变细，待晶体尾部直径达到与籽晶尺寸相同时，恒温生长5-30mm长度后，再采用缓慢的降温程序将GSO或者Ce:GSO晶体降至室温，最后取出所生长的纯的GSO或掺杂的Ce:GSO晶体。
由于在GSO或者Ce:GSO晶体生长后期采用上述的收尾程序，晶体尾部的形状以及尺寸基本与晶体的肩部对称一致，极大地提高了晶体的散热均匀性，减少了晶体的开裂。
采用中频感应加热提拉法，结合本发明的收尾工艺，生长GSO以及Ce:GSO晶体的具体步骤如下：
(1)将预先配制的GSO或者Ce:GSO固态多晶原料装入Ir坩埚内，并将一定方向的GSO籽晶装入籽晶夹中，同时将它们一并装入提拉法单晶炉膛内；
(2)在中性气氛或者还原性气氛中，采用中频感应加热Ir坩埚，熔化坩埚内的多晶原料，并在高于晶体熔点50-100℃的温度2000-2150℃范围，恒温1-3小时，使坩埚内的熔体完全均化；
(3)将温度降至晶体的熔点1950℃下种，即让籽晶与熔体接触，恒温0.5-1小时后，采用慢升温提拉生长晶体，即所谓的缩颈阶段；
(4)待生长晶体的直径尺寸小于籽晶直径时，采用缓慢的降温程序进行晶体的放肩，待晶体的直径尺寸达到预定尺寸时，开始恒温等径生长，上述晶体生长过程中，晶体的生长速度约为1-5mm/h，晶体的转动速度约为10-30RPM；
(5)等径晶体长度达到预定尺寸时，开始采用本发明的收尾程序进行升温生长：通过缓慢的升温程序5-50℃/h进行晶体的升温生长，使晶体形成与肩部基本对称一致的圆锥形状，直径逐渐变细，待晶体尾部直径达到与籽晶尺寸相同时，恒温生长5-30mm长后，开始采用缓慢的降温程序将GSO晶体降至室温。
本发明与在先技术相比，其优点是：采用上述精密的收尾程序，一方面避免晶体生长结束时快速提拉或手动提拉造成晶体经受过大的温度梯度冲击，从而解决了GSO晶体因此而造成的开裂；另一方面，由于收尾程序使晶体尾部的形状与肩部对称一致，极大地提高了晶体散热的均匀性，减少了GSO晶体的开裂和解理的几率。从而极大地提高了GSO晶体的成品率。
附图说明
图1：未采用收尾程序生长的GSO晶体示意图；
图2：采用收尾程序生长的GSO晶体示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：采用本发明生长硅酸钆GSO单晶体
按感应加热提拉法生长：
步骤(1)：将预先配制好的GSO多晶原料装入Φ80×60mm的Ir金坩埚内，并将尺寸为φ4×60mm的b轴GSO籽晶装入籽晶夹中，将它们一并装入提拉法单晶炉膛内；
步骤(2)：在N2气氛中，采用中频感应加热Ir坩埚熔化坩埚内的多晶原料，并在2000℃恒温1小时，使坩埚内的熔体完全均化；
步骤(3)：将温度降至晶体的熔点1950℃下种，恒温0.5小时后，采用慢升温(50℃/h)进行提拉生长晶体，即所谓的缩颈阶段；
步骤(4)：待生长晶体的直径为2mm时，开始采用缓慢的降温程序进行晶体的放肩，待晶体的直径尺寸达到Φ35mm时，开始恒温等径生长；
步骤(5)：等径晶体长度达60mm时，按缓慢升温(50℃/h)进行晶体的生长，使晶体形成与肩部相对称一致的圆锥形状，直径逐渐变细，待晶体尾部直径达到约为Φ4mm时，恒温生长15mm长度后，开始采用缓慢的降温程序将GSO晶体降至室温。
上述GSO晶体生长中，晶体的生长速度约为5mm/h，晶体的转动速度约为30RPM。最后取出的GSO晶体透明、完整、不开裂。
实施例2：用感应加热提拉法生长GSO晶体
步骤(1)：将预先配制的GSO多晶原料装入Φ80×60mm的Ir金坩埚，将φ4×60mm的b轴GSO籽晶装入籽晶夹中，并同时装入提拉法单晶炉膛内；
步骤(2)：在N2和1vol％(体积比)H2的混合气氛中，采用中频感应加热Ir坩埚，熔化坩埚内的多晶原料，并在2150℃恒温2小时，使坩埚内的熔体完全均化；
步骤(3)(4)：生长GSO晶体，直径尺寸约为Φ35mm；
步骤(5)：晶体等径长度达60mm时，进行缓慢升温(5℃/h)进行晶体的生长，使晶体形成与肩部相对称一致的圆锥形状，直径逐渐变细，待晶体尾部直径达到约为Φ4mm时，恒温生长约30mm长度后，开始采用缓慢的降温程序将Ce:GSO晶体降至室温。在生长过程中，晶体的生长速度约为1mm/h，晶体的转动速度约为10RPM。最后取出的GSO晶体透明、完整、不开裂。
实施例3：用感应加热提拉法生长GSO晶体
步骤(1)：将预先配制的GSO多晶原料装入Φ80×60mm的Ir金坩埚，将φ4×60mm的b轴GSO籽晶装入籽晶夹中，并同时装入提拉法单晶炉膛内；
步骤(2)：在N2气氛中，采用中频感应加热Ir坩埚，熔化坩埚内的多晶原料，并在2050℃恒温3小时，使坩埚内的熔体完全均化；
步骤(3)(4)：生长GSO晶体，直径尺寸约为Φ35mm；
步骤(5)：晶体等径长度达60mm时，进行缓慢升温(20℃/h)进行晶体的生长，使得晶体形成与肩部相对称一致的圆锥形状，直径逐渐变细，待晶体尾部直径达到约为Φ4mm时，恒温生长约30mm长度后，开始采用缓慢的降温程序将GSO晶体降至室温。晶体的生长速度约为2mm/h，晶体的转动速度约为20RPM。最后取出的GSO晶体透明、完整、不开裂。
Claims (2)
1、一种硅酸钆单晶体的生长方法，其特征在于该方法的关键是在提拉法生长硅酸钆单晶体的收尾阶段采用如下程序：在GSO或者Ce:GSO晶体生长后期，即晶体等径部分的长度达到预定尺寸后，按5-50℃/h的升温程序进行晶体的升温生长，晶体的直径逐渐变细，待晶体尾部直径达到与籽晶尺寸相同时，恒温生长约5-30mm长度后，再开始采用缓慢的降温程序将GSO或者Ce:GSO晶体降至室温，最后取出GSO或者Ce:GSO晶体。
2、根据权利要求1所述的硅酸钆单晶体的生长方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)将预先配制的GSO或者Ce:GSO固态多晶原料装入铱坩埚内，并将一定方向的GSO籽晶装入籽晶夹中，同时将它们一并装入提拉法的单晶炉膛内；
(2)在中性气氛或者还原性气氛中，采用中频感应加热铱坩埚熔化坩埚内的多晶原料，并在高于晶体熔点的温度2000-2150℃恒温1-3小时，使坩埚内的熔体完全均化；
(3)将温度降至晶体的熔点1950℃下种，恒温0.5-1小时后，采用慢升温进行提拉生长晶体，即所谓的缩颈阶段；
(4)待生长晶体的直径尺寸小于籽晶直径时，开始采用缓慢的降温程序进行晶体的放肩，待晶体的直径尺寸达到预定尺寸时，开始恒温等径生长，晶体生长过程中，晶体的生长速度为1-5mm/h，晶体的转动速度为10-30RPM；
(5)等径晶体长度达预定尺寸时，开始采用权利要求1所述的收尾程序进行升温生长。
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