RU2061114C1

RU2061114C1 - Optical material for recording cerenkov radiation

Info

Publication number: RU2061114C1
Application number: RU93018152A
Authority: RU
Inventors: Б.П. Соболев; А.А. Быстрова; И.И. Бучинская; В.Г. Васильченко; Е.А. Кривандина
Original assignee: Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова РАН
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: physical chemistry. SUBSTANCE: radiation resistant (10⁶ rad) optical inorganic material having low melting point (750+-5) C and high hardness can be used for recording Cerenkov radiation. Monocrystalline material is essentially PbF₂-based solid solution with high-temperature cubic modification stabilized by addition of CdF₂. This material has the corresponding empirical formula: Pb_1-xCd_xF₂ wherein 0.30 ≅ x < 0.34. Monocrystals of acid compositions are grown by Bridgeman- Stochbarger in graphite crucibles in inert atmosphere. EFFECT: improved properties. 1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к оптическим материалам, используемым для регистрации γ -квантов и электронов в физике высоких энергий. The invention relates to optical materials used for recording γ-quanta and electrons in high-energy physics.

В системах регистрации γ -квантов и электронов на ускорителях нового поколения YHK, LHC, SSC применяются, в частности оптические материалы, в которых возникает черенковское излучение (т.н. черенковские радиаторы), к которым со стороны физики высоких энергий выдвигаются следующие требования: высокая поглощающая способность (плотность выше 5,5-6,5 г/см³), радиационная стойкость не менее 10⁶ рад, твердость не менее 80 кг/мм², технологоичность производства и обработки, дешевизна исходного сырья, хорошее оптическое качество.In systems for recording γ quanta and electrons at the new generation accelerators YHK, LHC, SSC, in particular, optical materials are used in which Cherenkov radiation (the so-called Cherenkov radiators) arises, to which the following requirements are put forward by high-energy physics: high absorbing ability (density higher than 5.5-6.5 g / cm ³ ), radiation resistance of at least 10 ⁶ rad, hardness of at least 80 kg / mm ² , technology of production and processing, low cost of feedstock, good optical quality.

Ближайшим техническим решением по составу и свойствам к предлагаемому материалу является фторид свинца PbF₂.The closest technical solution for the composition and properties of the proposed material is lead fluoride PbF ₂ .

Однако, этот материал имеет ряд недостатков, к главным из которых относятся низкая радиационная стойкость 10⁵ рад, низкая твердость (25,39 ±0,73) кг/мм² по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг на грани (111), отчетливо выраженная спайность.However, this material has a number of disadvantages, the main of which are low radiation resistance 10 ⁵ rad, low hardness (25.39 ± 0.73) kg / mm ² according to Vickers with a load of 0.1 kg on the (111) facet, clearly pronounced cleavage.

Серьезным обстоятельством является также наличие полиморфного превращения в интервале 375-415^оС. Частичный переход высокотемпературной кубической α -модификации (структурный тип CaF₂) в низкотемпературную ромбическую β -модификацию (структурный тип PbCl₂) отмечается при выращивании кристаллов из расплава как результат отжига при определенных термических условиях. При этом возникает сильное поглощение и рассеяние света на включениях низкотемпературной фазы, что затрудняет производство кристаллов высокого качества.An important factor is also the presence of the polymorphic transformation in the range 375-415 ^C. Partial cubic transition high α-modification (structural type CaF ₂₎ to the low temperature orthorhombic β-modification (structural type PbCl ₂₎ is observed at crystal growing from the melt as a result of annealing at certain thermal conditions. In this case, strong absorption and scattering of light occurs on inclusions of the low-temperature phase, which complicates the production of high-quality crystals.

Цель изобретения увеличение радиационной стойкости до 10⁶ рад, понижение температуры плавления от 825 до (750±5)^оС, увеличение твердости с (25,39±0,73) кг/мм² до 133-156 кг/мм² по Виккерсу, улучшение оптических качеств материала путем стабилизации высокотемпературной кубической α -модификации PbF₂ добавлением фторида кадмия.The purpose of the invention is an increase in radiation resistance to 10 ⁶ rad, a decrease in the melting temperature from 825 to (750 ± 5) ^о С, an increase in hardness from (25.39 ± 0.73) kg / mm ² to 133-156 kg / mm ² according to Vickers , improving the optical quality of the material by stabilizing the high-temperature cubic α-modification of PbF _{2 by} adding cadmium fluoride.

Цель достигается тем, что оптический материал для регистрации γ-квантов и электронов в физике высоких энергий получается из твердого раствора Pb_1-x Co_xF₂ с 0,30≅X≅0,34, соответствующего интервалу вблизи состава точки минимума на диаграмме плавкости, с температурой плавления равной (750 + 5)^oС. Очень пологий ликвидус в области минимума позволяет выращивать кристаллы стабилизированной высокотемпературной кубической модификации хорошего оптического качества с однородным распределением компонентов по длине.The goal is achieved in that the optical material for detecting γ-quanta and electrons in high-energy physics is obtained from a Pb _1-x Co _x F ₂ solid solution with 0.30≅X≅0.34, corresponding to an interval near the composition of the minimum point in the melting diagram , with a melting point equal to (750 + 5) ^o С. A very gentle liquidus in the minimum region allows to grow crystals of stabilized high-temperature cubic modification of good optical quality with a uniform distribution of components along the length.

На фиг. 1 представлена штрих-диаграмма кристалла PbF₂ с примесью орторомбической низкотемпературной β -модификации; на фиг.2 штрих-диаграмма кристалла состава Pb_0,67Cd_0,33F₂; на фиг.3 диаграмма состояния CdF₂-PbF₂; на фиг. 4 микрофотография кристалла Pb_0,67Cd_0,33F₂, в котором нет ячеек (увеличение х16); на фиг.5 микрофотография кристалла состава Pb_0,60Cd_0,40F₂ (увеличение х16); на фиг.6 микрофотография кристалла Pb_0,74Cd_0,26F₂, имеющего ячеистую структуру (увеличение х 16); на фиг.7 зависимость твердости кристалла от его состава по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг/мм².In FIG. 1 is a bar chart of a PbF ₂ crystal with an admixture of orthorhombic low-temperature β-modification; figure 2 is a bar diagram of a crystal of composition Pb _0.67 Cd _0.33 F ₂ ; figure 3 state diagram of CdF ₂ -PbF ₂ ; in FIG. 4 micrograph of a Pb crystal of _0.67 Cd _0.33 F ₂ in which there are no cells (magnification x16); in Fig.5 micrograph of a crystal of composition Pb _0.60 Cd _0.40 F ₂ (magnification x16); in Fig.6 micrograph of a crystal of Pb _0.74 Cd _0.26 F ₂ having a cellular structure (magnification x 16); 7, the dependence of the hardness of the crystal on its composition according to Vickers at a load of 0.1 kg / mm ² .

Монокристаллы указанных составов выращивают методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в графитовой печи сопротивления в атмосфере гелия. Тигель опускается из горячей зоны в холодную со скоростью 3-12 мм/ч. Для кристаллизации используют реактивы марки ОСЧ. Single crystals of these compositions are grown by the Bridgman-Stockbarger method in graphite crucibles in a graphite resistance furnace in a helium atmosphere. The crucible descends from the hot zone to the cold at a speed of 3-12 mm / h. For crystallization, reagents of the OSH brand are used.

Предлагаемые кристаллы Pb_1-xCd_xF₂, где 0,30 ≅X≅0,34 принадлежат к кубической сингонии (пространственная группа Fm 3m).The proposed crystals are Pb _1-x Cd _x F ₂ , where 0.30 ≅ X ≅ 0.34 belong to the cubic syngony (space group Fm 3m).

Сравнительные характеристики свойства монокристаллов PbF₂ и состава точки минимума Pb_0,67Cd_0,33F₂ приведены в таблице.Comparative characteristics of the properties of PbF ₂ single crystals and the composition of the minimum point of Pb _0.67 Cd _0.33 F ₂ are given in the table.

Из приведенной таблицы видно, что для кристалла Pb_1-xCd_xF₂(0,30≅X≅0,34) по сравнению с PbF₂ достигаются следующие эффекты: повышается радиационная устойчивость с 10⁵ рад для чистого PbF₂ до 10⁶рад, плотность снижается до 7,44 г/см³, но остается значительно выше минимально необходимой для черенковского радиатора, твердость возрастает от (25,39 + 0,73) до (146,2 + 7,6) кг/мм², введение CdF₂ приводит к исчезновению спайности по (111), что существенно упрощает механическую обработку материала, температура плавления понижается от (825±5)^оС для PbF₂ до (750±5)^оС для состава точки минимума, что делает материал более технологичным для выращивания кристаллов, при идентичных с PF₂ условиях выращивания в Pb_1-xCd_xF₂ (0,30 ≅X≅0,34) происходит стабилизация высокотемпературной кубической (флюоритовой) модификации, что обеспечивает однородность по составу и как следствие высокое оптическое качество монокристаллов.It can be seen from the table that for the Pb _1-x Cd _x F ₂ (0.30≅X≅0.34) crystal, the following effects are achieved compared to PbF ₂ : the radiation resistance increases from 10 ⁵ rad for pure PbF ₂ to 10 ⁶ glad, the density decreases to 7.44 g / cm ³ , but remains significantly higher than the minimum necessary for the Cherenkov radiator, the hardness increases from (25.39 + 0.73) to (146.2 + 7.6) kg / mm ² , administering CdF ₂ cleavage leads to the disappearance of the (111), which significantly simplifies the machining of the material, the melting temperature decreases from (825 ± 5) ^{° C} for PbF ₂ to (750 ± 5) ^{° C} for the composition t minimum points, which makes the material more manufacturable for growing crystals under identical conditions with PF cultivation in ₂ Pb _{_1-x} Cd _x F ₂ (0,30 ≅X≅0,34) is stabilized high cubic (fluorite) modification that provides uniform composition and, as a consequence, high optical quality of single crystals.

Использование составов твердых растворов Pb_1-xCd_xF₂, где Х < 0,30 или Х > 0,34 нецелесообразно, поскольку изменения в сторону увеличения или уменьшения содержания CdF₂ приводят к неравномерному распределению компонентов по длине кристаллов, появлению ячеек, а следовательно, и ухудшению оптических качеств кристалла, нестабильности физических свойств в различных частях кристалла, повышению температуры плавления, уменьшению твердости материала и т.д.The use of compositions of solid solutions Pb _1-x Cd _x F ₂ , where X <0.30 or X> 0.34 is impractical, since changes to increase or decrease the content of CdF ₂ lead to an uneven distribution of components along the length of the crystals, the appearance of cells, and consequently, the deterioration of the optical qualities of the crystal, the instability of physical properties in various parts of the crystal, an increase in the melting temperature, a decrease in the hardness of the material, etc.

Таким образом, оптимальными являются составы Pb_1-xCd_xF₂, где 0,30≅X≅0,34 имеющие радиационную стойкость 10⁶ рад, температуру плавления (750 + 5)^оС, твердость 133-156 кг/мм², стабилизированную изоморфными замещениями флюоритовую структуpу и не имеющие плоскостей спайности, что позволяет рассматривать предлагаемый материал сложного химического состава как заменитель PbF₂ для радиаторов черенковского излучения на установках типа YHK, LHC,SSC, обладающий эксплуатационными характеpистиками.Thus, the optimal compositions are Pb _1-x Cd _x F ₂ , where 0.30≅X≅0.34 having a radiation resistance of 10 ⁶ rad, a melting point (750 + 5) ^о С, hardness of 133-156 kg / mm ² stabilized by isomorphic substitutions with a fluorite structure and without cleavage planes, which allows us to consider the proposed material of complex chemical composition as a substitute for PbF ₂ for Cherenkov radiation radiators in YHK, LHC, SSC units with operational characteristics.

П р и м е р 1. Для выращивания монокристалла состава точки минимума Pb_0,67Cd_0,33F₂ берут реактивы PbF₂ и CdF₂ марки ОСЧ. Шихту состава Pb_0,67Cd_0,33F₂ загружают в графитовый тигель с диаметром ячейки 30 мм, помещают в графитовую печь сопротивления, нагревают в атмосфере гелия до (765±15)^оС, при этой температуре выдерживают расплав в течение 1 ч, затем выводят тигель в холодную зону со скоростью 3 мм/ч. Получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 100 мм, хорошего оптического качества (фиг.4) со стабилизированной высокотемпературной кубической (флюоритовой) структурой (фиг.2) с равномерным распределением компонентов по длине (состав начала и конца кристалла одинаков и соответствует составу шихты), имеющий радиационную стойкость 10⁶ рад, радиационную длину 1,07 см, плотность 7,45 г/см³, твердость (146,2±7,6) кг/мм² по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг/мм (фиг.7), температуру плавления (750 ±5)^оС, не имеющий четко выраженных плоскостей спайности.Example 1. For growing a single crystal of the composition of the minimum point of Pb _0.67 Cd _0.33 F ₂ take reagents PbF ₂ and CdF ₂ brand OSCH. The charge composition Pb _0,67 Cd _0,33 F ₂ was charged in a graphite crucible with a cell diameter of 30 mm was placed in a graphite resistance furnace, heated in a helium atmosphere to (765 ± 15) ^{° C,} at which temperature the melt is maintained for 1 hour , then bring the crucible into the cold zone at a speed of 3 mm / h Get a crystal with a diameter of 30 mm and a height of 100 mm, good optical quality (figure 4) with a stabilized high-temperature cubic (fluorite) structure (figure 2) with a uniform distribution of components along the length (the composition of the beginning and end of the crystal is the same and corresponds to the composition of the charge), having a radiation resistance of 10 ⁶ rad, a radiation length of 1.07 cm, a density of 7.45 g / cm ³ , hardness (146.2 ± 7.6) kg / mm ² according to Vickers at a load of 0.1 kg / mm (Fig. 7), the melting temperature (750 ± 5) ^о С, which does not have clearly defined cleavage planes.

П р и м е р 2. Монокристалл состава Pb_0,70Cd_0,30F₂ получают в аналогичных (см. пример 1) условиях, но скорость опускания тигля составляет 12 мм/ч. Получают кристаллы диаметром 30 мм, высотой 75 мм хорошего оптического качества со стабилизированной высокотемпературной кубической фазой, с равномерным распределением компонентов по длине, имеющий твердость (135 + 4) кг/м² (фиг.7) температуру плавления (750 ±5)^оС, не имеющий четко выраженных плоскостей спайности.PRI me R 2. A single crystal of the composition Pb _0.70 Cd _0.30 F ₂ receive in similar (see example 1) conditions, but the lowering speed of the crucible is 12 mm / h Get crystals with a diameter of 30 mm, a height of 75 mm of good optical quality with a stabilized high-temperature cubic phase, with a uniform distribution of components along the length, having a hardness (135 + 4) kg / m ² (Fig.7) melting point (750 ± 5) ^о С having no clearly defined cleavage planes.

П р и м е р 3. Монокристалл состава Pb_0,66Cd_0,34F₂ получают в аналогичных условиях (см. пример 1), но со скоростью опускания 5 мм/ч. Получают кристалл диаметром 30 мм, высотой 80 мм, хорошего оптического качества со стабилизированной высокотемпературной кубической фазой, с равномерным распределением компонентов по длине кристалла, имеющий твердость (156 ±4) кг/мм² (фиг. 7), температуру плавления (750± 5)^оС, но не имеющий плоскостей спайности.Example 3. A single crystal of composition Pb _0.66 Cd _0.34 F _{2 was} prepared under similar conditions (see Example 1), but with a lowering speed of 5 mm / h. A crystal is obtained with a diameter of 30 mm, a height of 80 mm, of good optical quality with a stabilized high-temperature cubic phase, with a uniform distribution of components along the length of the crystal, having a hardness (156 ± 4) kg / mm ² (Fig. 7), melting point (750 ± 5 ) ^о С, but not having cleavage planes.

П р и м е р 4. Из шихты состава Pb_0,60Cd_0,40F₂ в аналогичных (см. пример 1) условиях со скоростью протяжки тигля 5 мм/ч получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 75 мм, имеющий неоднородное распределение компонентов по длине и ярко выраженную ячеистость (фиг.5), сильно ухудшающую оптическое качество. Твердость составляет (163,83 ±6,68) (174,36 ±6,96) кг/мм² (фиг.4), плотность 7,45-7,475 г/см³.EXAMPLE 4. From a mixture of the composition Pb _0.60 Cd _0.40 F ₂ under similar (see example 1) conditions with a broach pull speed of 5 mm / h, a crystal with a diameter of 30 mm and a height of 75 mm having an inhomogeneous the distribution of components along the length and pronounced cellularity (figure 5), greatly deteriorating optical quality. The hardness is (163.83 ± 6.68) (174.36 ± 6.96) kg / mm ² (FIG. 4), the density is 7.45-7.475 g / cm ³ .

П р и м е р 5. Из шихты состава Pb_0,74Cd_0,26F₂ в аналогичных (см. пример 1) условиях со скоростью протяжки тигля 5 мм/ч получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 76 мм, имеющий неоднородное распределение компонентов по длине и ярко выраженную ячеистость (фиг.6), сильно ухудшающую оптические качества материала. Твердость составляет (110,55±2,8) (134±3,7) кг/мм² (фиг. 7).EXAMPLE 5. From a mixture of the composition Pb _0.74 Cd _0.26 F ₂ under similar (see example 1) conditions with a broach pulling speed of 5 mm / h, a crystal with a diameter of 30 mm and a height of 76 mm having an inhomogeneous the distribution of components along the length and pronounced cellularity (Fig.6), greatly deteriorating the optical quality of the material. The hardness is (110.55 ± 2.8) (134 ± 3.7) kg / mm ² (Fig. 7).

Из примеров 1-3 видно, что кристаллы составов Pb_1-xCd_xF₂, где 0,30≅X≅0,34, отличаются от составов с X < 0,30 и Х > 0,34 (см. примеры 4 и 5) тем, что имеют более низкую температуру плавления, постоянный состав, плотность и твердость по длине кристалла, а также в них отсутствует ячеистая структура. Перечисленные факторы улучшают рабочие характеристики черенковских радиаторов.From examples 1-3 it is seen that the crystals of the compositions Pb _1-x Cd _x F ₂ , where 0.30 X X 0.34, differ from compositions with X <0.30 and X> 0.34 (see examples 4 and 5) the fact that they have a lower melting point, a constant composition, density and hardness along the length of the crystal, and also they do not have a cellular structure. These factors improve the performance of Cherenkov radiators.

Claims

Optical material for recording Cherenkov radiation based on PbF ₂ , characterized in that it additionally contains 30 34 mol. CdF ₂ with the formation of a solid solution of Pb ₁ _- _x Cd _x F ₂ (0.30 ≅ x ≅ 0.34) of cubic modification without inclusions of the second phase having radiation resistance up to 10 ⁶ rad, melting point 750 + 5 ^o C and hardness 135 156 kg / mm ² .