DE2901669C2

DE2901669C2 - Bi↓2↓Ge↓3↓O↓9↓-Einkristall, insbesondere zur Verwendung als Röntgen-Spektrometerkristall und fotoakustischer Ablenker

Info

Publication number: DE2901669C2
Application number: DE2901669A
Authority: DE
Inventors: S. Prof. Dr. 5000 Köln Haussühl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-01-17
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1981-06-25
Also published as: DE2901669B1; GB2039868A; JPS5595624A; GB2039868B; US4330524A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft BiiGejCVEinkristalle.

Aus der DE-OS 15 92 388 sind Wismuttrioxid und ΐί seine Mischphasen bekannt. Bei den Mischphasen handelt es sich um Mischungen bzw. feste Lösungen einzelner Bi₂O3-Modifikationen mit 1- bis 6wertigen Oxiden. Die BiiOj-Komponente ist dort das Wirtsgitter, in dem andere Oxide als Gastkomponenten mit von jn diesem Wirtsgitter abweichenden Strukturen enthalten sind. Die Summender in das Wirtsgitter aufgenommenen Kationen verhak sich dabei zu der Summe der aufgenommenen Anionen wie 2 :3.

Die aus der genannten DE OS bekannten Wismuttrioxid-Mischphasen dienen z. B. als oxidische Ferromagnetika, deren ferromagnetische Eigenschaften von der Zusammensetzung abhängen. Ardere Verwendungen sind die als Pigmente, bei denen kontinuierliche Farbänderungen im einzelnen Primärteilchen erzeugt jü werden können.

Als Zusätze zu den Wismuttrioxiden nach der obengenannten DH-OS kommen nahezu sämtliche Kationen-Elemente des periodic-hen Systems (siehe dort Seite 11) in Betracht, unter denen selbstverständ- J5 lieh auch das Germanium gcnanrv ist. Von den genannten Mischphasen des B12O3 kommt Germanium einmal als Bi2Oj —GeO2 vor. Weitere zwei Germaniumhaltige Misch phasen enthalten zusätzlich auch Natrium bzw. Kalzium in jeweils bestimmten Verhältnis zum Germanium-An teil.

Nach Russian Journal of Inorganic Chemistry. Bd. 9, Nr. 2 (1964), Seiten 226 bis 230, weist das Phasendiagramm von Bi₂O-GeO₂ stabile Verbindungen nur für die beiden Mischungsverhältnisse Bi₂Os : GeO₂ = 2 :3 ·*ϊ und B12O3 :GeO2=7 :1 auf. Im Journal of Research of the National Bureau of Standards-Α, Physics and Chemistry, Bd. 68A, Nr. 2, März bis April 1964, Seiten 197 bis 206, wurde der eine Wert von 7:1 in 6:1 korrigiert. Bezüglich des für die Erfindung relevanten v> Mischungsverhältnisses Bi₂Oi: GeO₂ = 3 :1 wurde festgestellt, daß es hierfür nur ein Eutektikum gibt. Ein solches eutektisches Material ist zwangsläufig mehrphasig und das Vorliegen eines einkristallinen Aufbaues ist dementsprechend ausgeschlossen. η

Der vorliegenden Erfindung liegt das Bestreben zugrunde, neue, d. h. bisher noch nicht erzeugte oder in irgendeiner Weise der Technik zur Verfügung stehende Materialien zu schaffen, die neue technische Problemlösungen ermöglichen oder im Prinzip nach an sich ho bekannte technische Lösungen wenigstens zu verbessern vermögen,

Ein solches neues Material steift der Bi₂GCjOq-Einkristall dar. Bevorzugte Verwendungen desselben gehen aus den Unteransprüchen hervor. μ

Zum entscheidenden Unterschied gegenüber und im Gegensat/, zu den bisher aus dem Stand der Technik vorliegenden Kenntnissen über das System Wismutoxid-Germaniumoxid ist mit der Erfindung eine nicht zu erwartende echte chemische Verbindung, die sich zudem als Einkristall herstellen läßt, geschaffen worden, wobei diese Verbindung bzw. der Einkristall besonders günstige charakteristische Werte für die Verwendung in dej Röntgen-Spektrometrie für vorzugsweise mittlere bis weiche Röntgenstrahlung und für die Verwendung in technischen Verfahren hat, die auf dem fotoelektrischen Effekt beruhen.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kristalls erfolgt auf dem im Prinzip nach an sich bekannten Verfahren des Kristallziehens aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze.

Bei dieser Kristallherstellung nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren wird in einem Platintiegel mit z. B. 40 mm Durchmesser, 40 mm Höhe, hochreines Wismuttrioxid (99,995%) und hochreines Germaniumdioxid (99,999%), und zwar im Mol-Verhältnis Bi₃Oj : GeOi = 3 :1, zur Schmelze gebracht. Unter Rotation des Keimes werden aus diesem Tiegel an einem Keimkristall in Sauerstoff- oder Luftatmosphäre, nämlich um eine Reduktion der geschmolzenen Oxide zu vermeiden, die erfindungsgemäßen Einkristalle aus der auf 1263 bis 1273° K gehaltenen Schmelze gezogen. Die Einkristalle haben genau die Zusammensetzung der Schmelze. Bei beispielsweise einer Rotation mit 100 Umdrehungen pro min und einer Kristallziehgeschwindigkeit von 5 mm pro Stunde ließen sich erfindungsgemäße Einkristalle mit 50 mm Länge und 15 mm Durchmesser herstellen, die völlig frei von Einschlüssen sind. Die Kristalle selbst sind farblos und haben optische Qualität. Zu große Zschgeschwindigkeit führte z. B. zu mikroskopischen Einschlüssen von Platin und auch zu Gasblasen.

Ein erfindungsgemäßer Bi2Ge3O9-Einkristall eignet sich besonders gut für Verwendung als Röntgen-Spektrometerkristall, wofür beispielsweise ein mehrphasiges eutektisches Gemisch nicht zu gebrauchen wäre. Es gibt zwar bereits eine Anzahl verwendeter Spektrometerkristalle, wie Kaliumhydrogenphthalat mit dem doppelten Gitterabstand von 2c/=2G,632Ä, Thalliumhydrogenphthalat mit Id= 25,900 Ä oder auch Λ-Quarz mit 2c/=2,749Ä und Topas mit 2c/=2712Ä. Der erfindungsgemäße Einkristall bietet für die [001]-Richtung, d. h. parallel zur 6zähligen Achse, einen Wert von 2 c/= 2 33 = 19,572 Ä. Speziell für die Verwendung im Bereich mittlerer bis weicher Strahlung ist der erfindungsgemäße Kristall dem Quarz und Topas in seinem höheren Streukoeffizienten weit überlegen Gegenüber den angegebenen Phthalat-Kristallen hat der erfindungsgemäße Einkristall die außerordentlich wichtigen Vorteile der Wasserunlöslichkeit, der hohen chemischen Resistenz und vor allem einer außerordentlich hohen mechanischen Stabilität. Gegenüber allen bekannten Spektrometerkristallen hat der erfindungsgemäße Bi₂Ge₁O₉-KHsIaII in der angegebenen [001]-Richtung einen außergewöhnlich kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der eine Thermostatisierung des Spektrometerkristalls in einem weiten Temperaturintervall überflüssig macht. Ein erfindungsgemäßer Kristall hat im übrigen auch einen vorteilhaft großen Absorptionskoeffizienten für Röntgenstrahlung,

Vorteilhafterweise läßt sich der erfindungsgemäßc Einkristall senkrecht zur [001]-Richtung, d.h. parallel zur (OOI)-Ebene, außerordentlich leicht spalten, etwa vergleichsweise dem Glimmer, so daß eine erhebliche Verringerung der Herstellungskosten zur jeweiligen Verwendung fertig bearbeiteter, crfindungsgcmäßer

BijGejCVEinkristalle erreichbar ist. Dazu ist insbesondere zu berücksichtigen, daß natürliche Spaltflächen in ihrer optischen Qualität im Regelfall besser als selbst mit hohem Bearbeitungsaufwand durch Sägen, Schleifen und Polieren hergestellte Kristallflächen sind.

Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Bi₂Ge₃O₉-Kristalls zur Beugung von Licht in einem Ultraschallfelü nach Debye läßt sich aufgrund eines sehr starken fotoelastischen Effekts dieses Materials ein großes Maß an Beugung, d. h. Strahlablenkung, erreichen. Vorteilhafterweise hat ein erfindungsgemäßer Kristall eine nur sehr geringe Eigenabsorption im Wellenlängenbereich von 0,290 u.m bis zu einigen μπι. Der Kristall ist daher auch im Hinblick auf diese Eigenschaft zur Verwendung in Geräten, die mit Laserstrahlung arbeiten, geeignet. Mit Vorteil kann daher in einem wie an sich bekannten Laser-Schnelldrucker das dort beispielsweise verwendete Bleimolybdat durch einen erfindungsgemäßen Kristall ersetzt werden. In einem solchen Drucker dient der Kristall dann dazu, mit äußerst rascher Geschwindigkeit den für das Drucken vorgesehenen Laserstrahl in seine Positionen abzulenken.

Fig. i zeigt ein schematisches Biid zum Ziehen eines BijGejCVEinkristalls aus der Schmelze. Mit 1 ist ein Platintiegel bezeichnet, der mit einer Heizung 2 auf die erforderliche Temperatur zu beheizen ist. Mit 3 ist der rotierende Bi^GeiOvEinkristall bezeichnet, und zwar in einem Stadium, wie er gerade aus der im Tiegel 1 befindlichen Schmelze 4 an einer rotierenden WeIIo 5 hängend gezogen wird. Mit Hilfe der Rotationsvorrichtung 6 wird die Welle 5 und damit der Kristall 3 in der durch den Pfeil 7 gekennzeichneten Richtung mit wie angegebener Longitudinalgeschwindigkeit gezogen. Der Kristall rotiert zusammen mit der Welle 5. An der Verbindungsstelle zwischen Kristall 3 und Welle 5 befindet sich der Keimkristall 8.

F i g. 2 zeigt eine dem Prinzip nach und z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 26 37 945 bekannte Röntgen-Goniometeranordnung 11. Diese Anordnung besteht im wesentlichen aus einer .töntgenstrahlungsquelle 12, aus dem in Scheibenform vorliegenden BijGejGvEinkristall und dem mit einer Spaltblende 14 versehenen Detektoraufhänger 15. Der Kristall 13 befindet sich in einer nicht dargestellten Aufnahme, in der um oie zur Darstellungsebene der F i g. 2 senkrechte Achse in Winkelstellungen θ zur Strahlungsquelle 12 rotierbar bzw. verstellbar ist. Wie dies für ein Goniometer üblich ist, wird der Detektor 15 dazu in eine Winkelstellung 2Θ gebracht

F i g. 3 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen BiiGesOg-Einkristalls als Lichtablenker nach dem Debye-Sears-Effekt. Die von der Lichtquelle 21 ausgehende, auf den Kristall 22 auftreffende Lichtstrahlung 23 wird infolge eines im Kristall 22 vorhandenen, stehenden Ultraschallwellenfeldes zu einer im Winkel zur Strahlung 23 verlaufenden Strahlung 24 gebeugt. Mit diesem steuerbar abgelenkten Strahl 24 kann z. B. ein fotoempfindliches Papier 25 bes^r.-vieben werden. Das im Kristall 22 vorhandene, durch die Schraffur 25 angedeutete Ultraschallwellenfeld wird beispielsweise mit Hilfe eines am Kristall 22 angebrachten Piezokörpers 27 erzeugt. Vom Generator 28 gelieferte, steuerbare Speisespannung erzeugt im Piezokörper 27 ein steuerbar veränderbares elektrisches Feld, das aufgrund des Piezoeffekts zu entsprechenden mechanischen Kontraktionen und Dilatationen des Piezokörpers 27 führt Diese Bewegungen des Körpers 27 werden auf den Kristall 22 übertragen und verursachen in diesem bei entsprechender Abstimmung der Größen-

J5

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Claims

Patentansprüche:

K BijGejOs-Einkristall,
2. Verwendung des Kristalls nach Anspruch
Röntgen-Spektrometerkristall.
3. Verwendung des Kristalls nach Anspruch 1 als Lichtablenker in einem Ultraschall-Ablenkfeld.

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