RU2338815C2 - Method of growing monocrystals-scintillators based on sodium iodide or caesium iodide and device for implementing method - Google Patents
Method of growing monocrystals-scintillators based on sodium iodide or caesium iodide and device for implementing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2338815C2 RU2338815C2 RU2006111068/15A RU2006111068A RU2338815C2 RU 2338815 C2 RU2338815 C2 RU 2338815C2 RU 2006111068/15 A RU2006111068/15 A RU 2006111068/15A RU 2006111068 A RU2006111068 A RU 2006111068A RU 2338815 C2 RU2338815 C2 RU 2338815C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystal
- heater
- crucible
- otf
- melt
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к выращиванию из расплава монокристаллов галогенидов, а именно иодида натрия или цезия, в температурном градиенте и с использованием нагревательного элемента, погруженного в расплав.The invention relates to the growth of single crystals of halides from a melt, namely sodium iodide or cesium, in a temperature gradient and using a heating element immersed in the melt.
Широко известны методы выращивания кристаллов иодида натрия и цезия, легированных таллием и другими активаторами, детально описанные, например, в монографиях Л.М.Шамовского [1] и В.И.Горилецкого с соавторами [2]. Эти материалы являются высоколетучими, поэтому кристаллизация осуществляется в условиях динамического равновесия, когда идет интенсивное испарение вещества со свободной поверхности расплава и его конденсация на холодных частях ростовой камеры. Наиболее эффективным методом получения крупногабаритных монокристаллов стал модифицированный метод Киропулуса, в котором осуществляется вытягивание кристалла из расплава на затравку в условиях открытых неконсервативных систем: конденсация осуществляется на всей поверхности водоохлаждаемой камеры, существенно превышающей площадь поверхности расплава, с которой происходит испарение летучей компоненты. С точки зрения снижения потерь, в первую очередь компонентов активатора, имеющего более низкую температуру плавления, предпочтительным является выращивание в условиях закрытой неконсервативной системы, например методом Стокбаргера [3], в герметичных вакуумированных ампулах с отростком, выходящим из нагреваемой зоны печи во внешнюю среду, т.к. поверхность естественно охлаждаемых стенок кварцевой ампулы существенно меньше поверхности расплава и, тем более, всей камеры. При этом направленную кристаллизацию, как это указано, например, в патенте [4], ведут при остаточном давлении в ампуле не более 5 мм рт.ст. после форсированного нагрева при атмосферном давлении. Выращивание методом Киропулуса также осуществляют при небольшом давлении аргона 0.01-0.2 атм, которое создается в камере после нагрева сырья до расплавления под давлением инертного газа 1-2 атм [5]. Создание большего давления газа при росте избегают из-за существенного изменения теплового поля при наличии газа и трудностей создания больших градиентов температуры из-за интенсивной конвекции газа в камере. Вместе с тем способ роста из расплава легколетучих компонент при избыточном давлении инертного газа хорошо известен и весьма эффективен для получения материалов с постоянным составом компонент (см., например, Н.Н.Колесников, Н.С.Бергизиярова [6]).The methods of growing crystals of sodium and cesium iodide doped with thallium and other activators are widely known, described in detail, for example, in the monographs of L. M. Shamovsky [1] and V. I. Goriletsky et al. [2]. These materials are highly volatile, therefore, crystallization is carried out under conditions of dynamic equilibrium, when there is intensive evaporation of the substance from the free surface of the melt and its condensation on the cold parts of the growth chamber. The most effective method for producing large-sized single crystals was the modified Kyropulus method, in which the crystal is pulled from the melt to the seed in open non-conservative systems: condensation is carried out on the entire surface of the water-cooled chamber, significantly exceeding the surface area of the melt, from which the volatile component evaporates. From the point of view of reducing losses, first of all, components of an activator having a lower melting temperature, it is preferable to grow in a closed non-conservative system, for example, the Stockbarger method [3], in sealed evacuated ampoules with a process emerging from the heated zone of the furnace to the external environment, because the surface of the naturally cooled walls of the quartz ampoule is substantially smaller than the surface of the melt and, especially, the entire chamber. In this case, directed crystallization, as indicated, for example, in the patent [4], is carried out at a residual pressure in the ampoule of not more than 5 mm Hg. after forced heating at atmospheric pressure. Cultivation by the Kyropulus method is also carried out at a small argon pressure of 0.01-0.2 atm, which is created in the chamber after heating the raw material to melt under pressure of an inert gas of 1-2 atm [5]. The creation of a greater gas pressure during growth is avoided due to a significant change in the thermal field in the presence of gas and the difficulties of creating large temperature gradients due to intense gas convection in the chamber. At the same time, the method of growth of volatile components from a melt under inert gas overpressure is well known and highly effective for obtaining materials with a constant composition of components (see, for example, NN Kolesnikov, NS Bergiziyarova [6]).
Известны способы выращивания и конструкции устройств (например, [7, 8]), в которых нагревательный элемент погружается в расплав. При этом за исключением устройства по патенту [8], реализующего так называемый ОТФ метод роста кристаллов, когда создается осевой тепловой поток вблизи фронта кристаллизации, в остальных устройствах применяется пассивный или неуправляемый нагревательный элемент, который не позволяет изменять величины осевого и радиального градиентов температуры, а отсутствие термопар в корпусе нагревательного элемента и донышке тигля не позволяют контролировать эти величины. В некоторых из этих устройств для изготовления пассивного элемента или корпуса погруженного нагревателя применяют графит, характеризующийся высокой величиной теплопроводности, однако для целей уменьшения радиального температурного градиента это не используется. Так в устройстве, реализующем способ [7], графит под нагревательным элементом используется для выравнивания выделяемого с него тепла; эффект же выравнивания температуры в расплаве вблизи растущего кристалла германия невелик, т.к. теплопроводность германия в жидком состоянии сопоставима с теплопроводностью графита. Использование теплопроводящего элемента для создания постоянной температуры по всей высоте расплава между кристаллом и этим элементом существенно уменьшает осевой градиент температуры на фронте кристаллизации.Known methods of growing and designing devices (for example, [7, 8]), in which the heating element is immersed in the melt. Moreover, with the exception of the device according to the patent [8], which implements the so-called OTF method of crystal growth, when an axial heat flux is created near the crystallization front, the remaining devices use a passive or uncontrolled heating element that does not allow changing the values of the axial and radial temperature gradients, and the absence of thermocouples in the body of the heating element and the bottom of the crucible do not allow to control these values. Some of these devices use graphite with a high thermal conductivity to produce a passive element or body of an immersed heater, but this is not used to reduce the radial temperature gradient. So in a device that implements the method [7], graphite under the heating element is used to equalize the heat generated from it; the effect of temperature equalization in the melt near the growing germanium crystal is small, because thermal conductivity of germanium in the liquid state is comparable to the thermal conductivity of graphite. The use of a heat-conducting element to create a constant temperature over the entire height of the melt between the crystal and this element significantly reduces the axial temperature gradient at the crystallization front.
Известны конструкции устройств, в которых затравка является составной частью тигля. Изготовленная в виде диска, она вставляется в нижнюю часть тигля без дна, как это было предложено при выращивании германия и других полупроводников [9], а именно вводится без зазора в графитовую трубку, являющуюся боковой стенкой тигля, что предотвращает вытекание расплава. Саму кристаллизацию осуществляют так называемым бесконтактным методом Бриджмена (без прилипания, когда расплав отделен от стенок тигля небольшим зазором), что достигается созданием избыточного давления под кристаллом относительно расплава в верхней части тигля. При этом для придания кристаллу необходимой формы в сечении выращивание направленной кристаллизацией из исходной шихты на затравках, например, для фторидов щелочно-галоидных металлов может осуществляться через графитовый формообразователь [10], позволяющий получать несколько кристаллов за один цикл. Однако графитовый, а также из кварцевого стекла и других материалов формообразователь для Nal и Csl не дает хороших результатов, т.к. расплав смачивает его, и кристалл после остывания и удаления из контейнера (формообразователя) требует и затрат на удаление выросшего кристалла и его дополнительного отжига для снятия напряжений. Для уменьшения загрязнения кристаллизатора при высоких температурах его размещают внутри защитной, например, кварцевой трубы как это описано в указанном выше устройстве по патенту [9]. Недостатком предложенного устройства является то, что труба не всегда берется большой длины, перекрывающей длину всего кристаллизатора, а главное, не уплотняется по концам; в этих условиях всегда возникает конвекция газа внутри трубы, приводящая к появлению вблизи кристаллизатора посторонних частиц из внешней части ростовой камеры.Known designs of devices in which the seed is an integral part of the crucible. Made in the form of a disk, it is inserted into the bottom of the crucible without a bottom, as was suggested when germanium and other semiconductors are grown [9], namely, it is inserted without a gap into a graphite tube, which is the side wall of the crucible, which prevents the flow of the melt. Crystallization itself is carried out by the so-called non-contact Bridgman method (without adhesion, when the melt is separated from the crucible walls by a small gap), which is achieved by creating excess pressure under the crystal relative to the melt in the upper part of the crucible. Moreover, in order to give the crystal the necessary shape in the cross section, growth by directional crystallization from the initial charge on seeds, for example, for alkali halide metal fluorides, can be carried out through a graphite former [10], which allows one to obtain several crystals in one cycle. However, graphite, as well as from quartz glass and other materials, the former for Nal and Csl does not give good results, because the melt wets it, and the crystal, after cooling and removal from the container (former), also requires the cost of removing the grown crystal and its additional annealing to relieve stresses. To reduce mold contamination at high temperatures, it is placed inside a protective, for example, quartz tube, as described in the above device according to the patent [9]. The disadvantage of the proposed device is that the pipe is not always taken long, overlapping the length of the entire mold, and most importantly, is not compacted at the ends; Under these conditions, gas convection inside the tube always occurs, leading to the appearance of foreign particles near the mold from the outer part of the growth chamber.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для выращивания сцинтилляционных щелочно-галоидных кристаллов из расплава по способу [3] в котором плавят исходную шихту с добавками активатора в контейнере, выдерживают расплав и для выращивания кристалла опускают контейнер из горячей зоны (зоны плавления) вниз в холодную зону (зону кристаллизации). При этом после выращивания конической части кристалл подплавляют, т.е. используют его фактически как затравочный и после выдержки в течение нескольких часов выращивают цилиндрическую часть кристалла. Подплавление осуществляют за счет подъема контейнера вверх на 3-5 мм. Чтобы не проплавить весь затравочный кристалл, подплавление осуществляют медленно в течение 6-8 часов, что существенно удлиняет цикл выращивания. Для более быстрого проплавления необходимо обеспечивать высокий градиент температуры, чтобы не проплавить кристалл на слишком большую глубину, особенно вблизи стенок, где температура в методе Стокбаргера, как правило, заметно выше, чем по оси кристалла. При малом температурном градиенте даже небольшая ошибка в поддержании заданного распределения температуры может привести к значительному, а подчас к полному проплавлению затравочного кристалла. Можно делать затравочный кристалл с большим запасом по высоте, но это неэффективно при промышленном производстве монокристаллов. Если затравочный кристалл готовить заранее и размещать в контейнере до нагрева, то надо иметь в виду, что коэффициенты расширения кристалла и материала тигля, как правило, по величине сильно отличаются. Поэтому выбирая диаметр затравки, необходимо добиться, чтобы кристалл при нагреве не испытывал больших напряжений при расширении в тигле. В случаях, когда затравка устанавливается без зазора, а стенка кварцевого тигля выбирается тонкой, может произойти повреждение тигля и полное вытекание расплава. Основной же проблемой при выращивании кристаллов-сцинтилляторов на основе Nal и Csl в кварцевых контейнерах является проблема их извлечения, поскольку расплав смачивает кварц и кристаллы к кварцевой стенке прилипают. Тигли приходится разрушать, а извлеченные кристаллы дополнительно отжигать, поскольку остывание кристалла, имеющего большой коэффициент теплового расширения, приводит к возникновению значительных термонапряжений.Closest to the proposed invention is a device for growing scintillation alkali-halide crystals from a melt according to the method [3] in which the initial charge is melted with additives of an activator in a container, the melt is held, and the container is lowered from the hot zone (melting zone) down to the cold to grow the crystal zone (crystallization zone). In this case, after growing the conical part, the crystal is melted, i.e. they actually use it as a seed and, after holding for several hours, they grow the cylindrical part of the crystal. Melting is carried out by lifting the container up 3-5 mm. In order not to melt the entire seed crystal, melting is carried out slowly for 6-8 hours, which significantly lengthens the growing cycle. For faster penetration, it is necessary to provide a high temperature gradient so that the crystal does not melt too deep, especially near the walls, where the temperature in the Stockbarger method is usually much higher than along the axis of the crystal. With a small temperature gradient, even a small error in maintaining a given temperature distribution can lead to a significant, and sometimes complete penetration of the seed crystal. You can make a seed crystal with a large margin in height, but this is inefficient in the industrial production of single crystals. If the seed crystal is prepared in advance and placed in the container before heating, it must be borne in mind that the expansion coefficients of the crystal and crucible material, as a rule, differ greatly in magnitude. Therefore, choosing the diameter of the seed, it is necessary to ensure that the crystal does not experience large stresses during expansion during expansion in the crucible. In cases where the seed is installed without a gap, and the wall of the quartz crucible is selected thin, damage to the crucible and complete leakage of the melt can occur. The main problem when growing Nal and Csl-based scintillator crystals in quartz containers is the problem of their extraction, since the melt wets the quartz and the crystals adhere to the quartz wall. The crucibles have to be destroyed, and the extracted crystals are annealed additionally, since the cooling of a crystal with a large coefficient of thermal expansion leads to significant thermal stresses.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение герметизации составного тигля, снижение термических напряжений в кристалле при росте и охлаждении, увеличение выхода годной продукции, повышение качества и ассортимента кристаллов и эффективности их производства.The technical result of the claimed invention is to ensure the sealing of the composite crucible, reducing thermal stresses in the crystal during growth and cooling, increasing the yield of products, improving the quality and assortment of crystals and the efficiency of their production.
Технический результат достигается способом выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия или цезия при градиенте температуры в насыщенных парах компонентов кристалла путем вытягивания вниз кристалла из расплава в тигле, установленном на подставке, с использованием ОТФ нагревателя, погруженного в расплав вблизи фронта кристаллизации. С его помощью создается большой (от 50 до 200°С/см) осевой температурный градиент на фронте кристаллизации и малый (от 2 до 8°С/см) радиальный градиент, а после завершения выращивания охлаждение происходит в условиях небольшого по величине (меньше 0.2°С/см) осевого и радиально градиентов температуры. Большой осевой градиент температуры при выращивании кристаллов с высоким содержанием примесей является необходимым условием предотвращения концентрационного переохлаждения; чем больше его величина, тем при больших скоростях может быть выращен кристалл, что увеличивает производительность метода и повышает эффективность производства.The technical result is achieved by the method of growing single-crystal scintillators based on sodium iodide or cesium at a temperature gradient in saturated vapors of the crystal components by pulling the crystal down from the melt in a crucible mounted on a support using an OTF heater immersed in the melt near the crystallization front. With its help, a large (from 50 to 200 ° C / cm) axial temperature gradient is created at the crystallization front and a small (from 2 to 8 ° C / cm) radial gradient, and after growing, cooling occurs under conditions of small (less than 0.2) ° C / cm) axial and radial temperature gradients. A large axial temperature gradient when growing crystals with a high content of impurities is a necessary condition for preventing concentration overcooling; the larger its value, the crystal can be grown at high speeds, which increases the productivity of the method and increases production efficiency.
Предложенный способ позволяет не только определить величину осевого градиента температуры вблизи фронта кристаллизации в соответствие с п.2 формулы изобретения, но создать его по величине в заданном от 50 до 200°С/см диапазоне с помощью ОТФ нагревателя путем перегрева расплава на величину Тр=20-25°С при толщине слоя расплава h, из которого растет кристалл, в пределах от 1 до 5 мм (п.3 формулы изобретения). Градиент температуры определяют по формуле Grad Т=ΔТр/h, где ΔТр=Тгор-Тпл, Тгор - температура ОТФ нагревателя, которая измеряется с помощью термопары в корпусе ОТФ нагревателя, Тпл - температура плавления кристалла. Величину слоя расплава h измеряют с помощью ОТФ нагревателя. При этом в соответствии с п.4 формулы изобретения во время расплавления затравочного кристалла с помощью ОТФ нагревателя создают перепад температуры между ОТФ нагревателем и подставкой ΔТобщ=Тгор-Тхол, где Тхол - температура подставки, величиной не менее 100°С. Тхол измеряют с помощью термопары, расположенной в дне тигля (в подставке).The proposed method allows not only to determine the magnitude of the axial temperature gradient near the crystallization front in accordance with
Малый радиальный градиент при кристаллизации означает близкий к плоскому фронт кристаллизации, существенное снижение термонапряжений в кристалле при росте, и как следствие, высокое качество сцинтилляционного материала. Этому же способствует существенное снижение термонапряжений в кристалле при его охлаждении при очень малых осевых и радиальных градиентах температуры, что достигается в предлагаемом способе. В случае же, когда в настоящем способе остывание кристалла осуществляется вне тигля (п.5 формулы изобретения), высокое качество кристалла достигается без дополнительного его отжига после извлечения из тигля, увеличивая эффективность производства.A small radial gradient during crystallization means a crystallization front close to flat, a significant decrease in thermal stresses in the crystal during growth, and as a result, high quality scintillation material. The same contributes to a significant decrease in thermal stresses in the crystal when it is cooled at very small axial and radial temperature gradients, which is achieved in the proposed method. In the case when, in the present method, the crystal is cooled outside the crucible (Claim 5), the high quality of the crystal is achieved without additional annealing after extraction from the crucible, increasing the production efficiency.
Проведение выращивания в инертной среде при избыточном давлении (п.6 формулы изобретения), например, аргона на 0.2-0.5 атм выше атмосферного (п.7 формулы изобретения) существенно снижает улетучивание кристаллизуемых компонент и позволяет получать кристаллы постоянного состава. При этом среда инертного газа создается не во всей ростовой камере (п.8 формулы изобретения), а в объеме, ограниченном кварцевой трубой, проходящей внутри фонового нагревателя, торцы которой герметично уплотняются в холодных зонах вверху и внизу ростовой камеры. В этом случае зона, в которой растет кристалл, отделяется от остальной камеры, что предотвращает попадание в кристаллизатор загрязнений в первую очередь от нагревательных элементов и элементов тепловой изоляции, а также уменьшает площадь конденсации летучих компонентов, снижая потери материала при кристаллизации и повышая однородность кристаллов. Кроме того, агрессивные пары галоидов не попадают в камеру и не взаимодействуют с конструкционными элементами, что расширяет диапазон применяемых для этих целей конструкционных материалов и срок их службы.Carrying out the growth in an inert medium at excess pressure (
Технический результат достигаются также устройством (п.9 формулы изобретения) для выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия и цезия, содержащим ростовую камеру, тепловой узел с многосекционным фоновым нагревателем и снабженным ОТФ нагревателем, погруженным в расплав вблизи фронта кристаллизации, термопарами, размещенными в кварцевом корпусе ОТФ нагревателя и подставке. Затравочный кристалл в виде диска вставлен в составной кварцевый тигель, дном которого служит подставка. С целью предотвращения обратной диффузии активатора (TI) из области выращивания между дном ОТФ нагревателя и растущим кристаллом в область над ОТФ нагревателем последний размещен относительно стенок тигля без зазора, а в его корпусе или в размещенном снаружи дополнительном корпусе, изготовленном из материла с высокой теплопроводностью, чтобы уменьшить радиальный градиент температуры вблизи фронта кристаллизации, например, из графита или платины (п.10 формулы изобретения), выполнены от 4 до 8 сквозных отверстий или канавок по боковой поверхности сечением не более 0.7-1 мм2 для подачи свежего расплава из области, расположенной над ОТФ нагревателем в область выращиванияThe technical result is also achieved by a device (claim 9 of the claims) for growing single-crystal scintillators based on sodium iodide and cesium, containing a growth chamber, a heat unit with a multi-section background heater and equipped with an OTP heater immersed in the melt near the crystallization front, thermocouples placed in OTF quartz heater case and stand. A seed crystal in the form of a disk is inserted into a composite quartz crucible, the bottom of which is a stand. In order to prevent back diffusion of the activator (TI) from the growing region between the bottom of the OTF heater and the growing crystal into the region above the OTF heater, the latter is placed relative to the crucible walls without a gap, and in its case or in an additional case placed outside made of a material with high thermal conductivity, In order to reduce the radial temperature gradient near the crystallization front, for example, from graphite or platinum (claim 10), from 4 to 8 through holes or grooves are made along a lateral turn NOSTA section not more than 0.7-1 mm 2 for feeding fresh melt from the region above the OTF heater to cultivation
Для уменьшения термического напряжения в затравочном кристалле при нагреве и повышения качества выращиваемого кристалла диаметр затравочного кристалла в соответствии с п.11 формулы изобретения выбирают меньше, чем внутренний диаметр тигля на величину, превышающую тепловое расширение кристалла при нагреве на 0.2-0.6 мм. Чтобы предотвратить расплавление затравочного кристалла и вытекание расплава из тигля при подплавлении кристалла, его устанавливают плотно на подставке, выполняемой из материала с высокой теплопроводностью, например из графита или платины (п.12 формулы изобретения), С целью улучшения теплового контакта между кристаллом и подставкой в нижней части затравочного кристалла делают буртик (п.13 формулы изобретения), позволяющий с помощью дополнительной гайки прижать его к подставке. Затравочный кристалл по п.14 формулы изобретения имеет высоту 20-25 мм, что позволяет гарантированно не допустить вытекания расплава из тигля при подплавлении затравочного кристалла перед началом выращивания.To reduce the thermal stress in the seed crystal during heating and to improve the quality of the grown crystal, the diameter of the seed crystal in accordance with claim 11 is chosen less than the crucible inner diameter by a factor exceeding the thermal expansion of the crystal by 0.2-0.6 mm when heated. In order to prevent melting of the seed crystal and the flow of the melt from the crucible during melting of the crystal, it is mounted tightly on a support made of a material with high thermal conductivity, for example, graphite or platinum (claim 12), In order to improve thermal contact between the crystal and the support in the lower part of the seed crystal is a shoulder (paragraph 13 of the claims), which allows using an additional nut to press it to the stand. The seed crystal according to claim 14 has a height of 20-25 mm, which makes it possible to guarantee that the melt does not flow out of the crucible when the seed crystal is melted before growing.
При размещении затравочного кристалла с зазором внутри тигля важно добиться, чтобы после нагрева кольцевой зазор между кристаллом и стенкой тигля был одинаковым по величине, иначе расплав протечет. Для этого внутренняя часть тигля должна иметь, как и затравочный кристалл, цилиндрическую форму. Поскольку обрабатывать трубу из кварцевого стекла трудно, то в соответствии с п.15 формулы изобретения в нижней части кварцевого тигля размещена полая цилиндрическая графитовая вставка. Так как тепловое расширение графиты больше, чем у кварцевого стекла, то при размещении затравочного кристалла оставляют зазор, превышающий тепловое расширение кристалла при нагреве, меньший по величине и составляющий 0.1-0.3 мм. Чтобы при вытягивании кристалла из тигля графитовая вставка оставалась на месте, она выполнена в виде перевернутого стакана с отверстием в его дне по центру и закреплена сверху корпуса ОТФ-нагревателя (п.16 формулы изобретения) так, что при опускании вниз подставки с закрепленным на ней затравочным кристаллом кристалл вытягивается из вставки и остывает вне тигля. В соответствии с п.17 формулы изобретения ОТФ нагреватель установлен без зазора относительно стенок цилиндрической графитовой вставки, а сама вставка имеет дополнительные пазы, обеспечивающие попадание расплава из области, расположенной над ОТФ нагревателем, в область выращивания, размещенную между дном ОТФ нагревателя и растущим кристаллом.When placing a seed crystal with a gap inside the crucible, it is important to ensure that after heating the annular gap between the crystal and the wall of the crucible is the same in size, otherwise the melt will leak. For this, the inside of the crucible must have, like the seed crystal, a cylindrical shape. Since it is difficult to process a quartz glass pipe, in accordance with paragraph 15 of the claims, a hollow cylindrical graphite insert is placed at the bottom of the quartz crucible. Since the thermal expansion of graphite is greater than that of quartz glass, when placing the seed crystal, a gap is left that exceeds the thermal expansion of the crystal upon heating, which is smaller in size and amounts to 0.1-0.3 mm. In order to keep the graphite insert in place when pulling the crystal out of the crucible, it is made in the form of an inverted cup with a hole in its bottom in the center and fixed on top of the OTF-heater body (claim 16) so that when the base is lowered down with the support fixed to it with a seed crystal, the crystal is pulled out of the insert and cools outside the crucible. In accordance with
В соответствии с п.18 формулы изобретения цилиндрическая графитовая вставка выполнена со сквозными отверстиями, позволяющими получить кристаллы различной формы, соответствующей форме сквозных отверстий, ограниченных в сечении размером графитовой вставки, а по длине - только количеством шихты, загружаемой в тигель заранее или по мере роста кристалла, при этом затравочный кристалл по форме в своей верхней части соответствует форме отверстий в графитовой вставке, в которые затравочный кристалл вставляется с зазором, превышающим тепловое расширение кристалла при нагреве на 0.1-0.3 мм. При необходимости выращивания монокристаллов в виде пластин графитовая вставка по п.19 формулы изобретения имеет прямоугольное сечение, сквозные отверстия которой образованы графитовыми перегородками прямоугольного сечения. Чтобы ОТФ нагреватель мог находиться вблизи каждого из кристаллов, растущего в своем отверстии (п.20 формулы изобретения), дополнительный корпус ОТФ нагревателя, изготовленный из графита, имеет в нижней части профиль, соответствующий сквозным отверстиям в графитовой вставке, и входит в эти отверстия на глубину до 10-12 мм.In accordance with
С целью осуществления контроля за процессом роста, в том числе для измерения толщины слоя расплава h, из которого растет кристалл (п.21 формулы изобретения), ОТФ нагреватель закреплен со вставкой с обеспечением возможности перемещения вниз до поверхности растущего кристалла и возвращения в исходное положение. По п.22 формулы изобретения дополнительно имеется устройство, связанное со штоком в нижней части камеры, для измерения перемещения L подставки с кристаллом относительно ОТФ нагревателя. Это позволяет определить общее расстояние Δ между дном ОТФ нагревателя и дном подставки, найти расчетом высоту выросшего кристалла или другие параметры, по которым, в том числе, можно вести процесс выращивания по математической модели роста кристалла, уточняя ее по измеренной в процессе выращивания величине слоя расплава h.In order to control the growth process, including for measuring the thickness of the melt layer h from which the crystal grows (claim 21), the OTF heater is fixed with an insert, allowing it to move down to the surface of the growing crystal and return to its original position. According to
С целью уменьшения переноса легколетучих компонент, предотвращения попадание в область роста загрязнений от нагревательных элементов и тепловой изоляции среда инертного газа создается не во всей ростовой камере, а в объеме, ограниченном кварцевой трубой. В соответствии с п.23 формулы изобретения кварцевая труба расположена внутри фонового нагревателя, при этом ее торцы герметично уплотнены с помощью резиновых или пластмассовых прокладок в холодных зонах вверху и внизу ростовой камеры при прижимании фланца камеры к корпусу камеры.In order to reduce the transfer of volatile components, to prevent contaminants from heating elements and thermal insulation from entering the growth region, an inert gas medium is not created in the entire growth chamber, but in a volume limited by a quartz tube. In accordance with
На чертежах показаны: общий вид ростовой камеры (Фиг.1) и конструкция устройства для выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия и цезия (Фиг.2). Внутри ростовой камеры 8, имеющей верхний фланец 14, находятся фоновый многосекционный нагреватель 11 с тепловой изоляцией вокруг него 10 и внутри сверху 9. Внутри фонового нагревателя размещена труба из кварцевого стекла 12, герметично уплотняемая в торцах камеры с помощью прокладок 13. Кристаллизатор состоит из кварцевого тигля 2, установленного на подставке 3, и ОТФ нагревателя 4 с нагревательным элементом 19 в корпусе 20, закрепленного с помощью верхнего штока 6 на верхнем фланце камеры. Подставка 3 крепится к нижнему штоку 7, на котором закреплен датчик линейного перемещения 15, используемый для измерения перемещений при опускании штока вниз во время выращивания кристалла 1. Детали кристаллизатора подробно показаны на Фиг.2а. Внутри тигля находятся кристалл, нижняя часть 1а которого является затравочным кристаллом, а верхняя 1b - вновь выросшим, а также расплав 5, который образуется при расплавлении шихты, загружаемой в тигель заранее или по мере роста кристалла. Часть расплава 5а высотой h находится в области выращивания под ОТФ нагревателем, а весь остальной расплав 5b - над ОТФ нагревателем. Затравочный кристалл 1а в нижней своей части имеет буртик 25 и крепится к подставке 3 с помощью накидной гайки 16. Для измерения температуры используются термопары 17 и 18, установленные в подставке вблизи нижнего холодного торца кристалла Тхол и внутри ОТФ нагревателя Тгор вблизи горячей границы расплава в области выращивания. Внутри тигля закрепленная на корпусе 20 ОТФ нагревателя 4 дополнительно размещена графитовая вставка 21. В ее боковых стенках для подачи расплава 5b из зоны над ОТФ нагревателем в зону выращивания выполнены пазы 22. Конструкция устройства, позволяющая выращивать несколько кристаллов различной формы, в частности в виде пластин, в одном ростовом цикле, показана на Фиг.2б. Во вставке установлены перегородки, которые разделяют ее на несколько областей, в каждой из которых на исходный затравочный кристалл 1а растут кристаллы 1b (см. показанный разрез на Фиг.2а). Для обеспечения возможности перемещения ОТФ нагревателя вниз относительно вставки с кристаллом в дополнительном корпусе 23 ОТФ нагревателя выполнены пропилы, которые позволяют дополнительному корпусу свободно входить в перегородки и выходить из них.The drawings show: a General view of the growth chamber (Figure 1) and the design of a device for growing single-crystal scintillators based on sodium iodide and cesium (Figure 2). Inside the growth chamber 8, having an upper flange 14, there is a background multi-section heater 11 with thermal insulation around it 10 and inside on top 9. Inside the background heater there is a quartz glass pipe 12, hermetically sealed at the ends of the chamber with gaskets 13. The crystallizer consists of
Устройство работает следующим образом. Затравочный кристалл 1а в виде диска вставляется в кварцевый тигель без дна 2 и устанавливается на подставку 3. Варьируя мощности ОТФ нагревателя 4 и фонового многосекционного нагревателя 11, добиваются большого (от 50 до 200°С/см) осевого и малого (от 2 до 8°С/см) радиального градиента температуры вблизи фронта кристаллизации. Уменьшению радиального градиента в отличие от известных устройств способствует и применение материалов с высокой теплопроводностью, например графита или платины, для изготовления корпуса 20 или дополнительного корпуса 23 ОТФ нагревателя. Применение ОТФ нагревателя, полностью перекрывающего сечение тигля, также способствует получению плоского фронта кристаллизации на большем сечении растущего кристалла. Но основное назначение такой конструкции - предотвратить обратную диффузию активатора (TI) из зоны роста под ОТФ нагревателем в зону над ОТФ нагревателем, что определяется площадью сечения отверстий (пазов) через которую подается свежий расплав в зону выращивания и зоны над ОТФ нагревателем. Оптимальные размеры отверстий выбираются исходя из значительного преобладания (не менее чем на порядок) потока активатора вынужденной конвекцией при росте кристалла над диффузионным потоком в противоположном направлении.The device operates as follows. The seed crystal 1a in the form of a disk is inserted into a quartz crucible without a
Диаметр затравочного кристалла выбирается меньше, чем внутренний диаметр тигля на величину, превышающую тепловое расширение кристалла при нагреве на 0.2-0.6 мм. В этом случае расплав, протекая в зазор между затравкой и стенкам тигля и перемещаясь вниз в холодную зону, успевает затвердеть и не вытекает из тигля; отсутствие прямого контакта с тиглем исключает возникновение напряжений на начальной стадии выращивания, и возможные дефекты не наследуются при росте. Основной проблемой при реализации предлагаемой конструкции является правильный выбор исходного размера затравочного кристалла. Надо иметь в виду, что коэффициент теплового расширения а щелочно-галоидных кристаллов (α=40-60×10-6 К-1) существенно больше коэффициента теплового расширения кварцевого стекла (α=0.5-0.7×10-6 К-1), из которого изготовлен тигель. Поэтому недопустимо брать цилиндрическую затравку диаметром, равным внутреннему диаметру тигля. Эта величина должна быть заметно меньше: на диаметре, например, в 50 мм расширение кристалла составляет около 1.5 мм. Из-за неопределенности в величине коэффициента теплового расширения кристалла, которая непосредственно при температурах вблизи плавления никем не измерялась, использовать поправки, которые дает тепловой расчет, можно только как ориентировочные. Чтобы гарантированно не происходило разрушения кварцевого тигля, который к тому же не бывает идеально цилиндрическим, диаметр затравки d предлагается брать в соответствии с соотношением d=D-δ×2, где D - внутренний диаметр тигля, δ=1.1×(D/50) мм для тигля из кварцевого стекла.The diameter of the seed crystal is chosen smaller than the inner diameter of the crucible by an amount exceeding the thermal expansion of the crystal by 0.2-0.6 mm when heated. In this case, the melt, flowing into the gap between the seed and the crucible walls and moving down into the cold zone, manages to harden and does not flow out of the crucible; the absence of direct contact with the crucible eliminates the occurrence of stresses at the initial stage of growth, and possible defects are not inherited during growth. The main problem in the implementation of the proposed design is the correct choice of the initial size of the seed crystal. It should be borne in mind that the coefficient of thermal expansion of a alkali halide crystals (α = 40-60 × 10 -6 K -1 ) is significantly higher than the coefficient of thermal expansion of quartz glass (α = 0.5-0.7 × 10 -6 K -1 ), of which the crucible is made. Therefore, it is unacceptable to take a cylindrical seed with a diameter equal to the inner diameter of the crucible. This value should be noticeably smaller: at a diameter of, for example, 50 mm, the crystal expansion is about 1.5 mm. Due to the uncertainty in the value of the coefficient of thermal expansion of the crystal, which was not measured directly at temperatures near the melting by anyone, the corrections provided by the thermal calculation can be used only as approximate ones. In order not to guarantee the destruction of the quartz crucible, which also cannot be perfectly cylindrical, it is proposed to take the seed diameter d in accordance with the relation d = D-δ × 2, where D is the inner diameter of the crucible, δ = 1.1 × (D / 50) mm for a quartz glass crucible.
Чтобы уменьшить риск расплавления затравочного кристалла 1а и вытекания расплава 5а из тигля 2 при подплавлении кристалла перед началом роста, в предлагаемом устройстве кристалл устанавливается плотно на подставке 3, выполняемой из материала с высокой теплопроводностью. В этом случае теплоотвод от кристалла через подставку обеспечивает его охлаждение в нижней части и позволяет установить достаточный градиент на кристалле для замерзания расплава в зазоре между кристаллом и стенками тигля. Если кристалл сделать не прямым диском, а например, изготовить в его нижней части буртик 1а, то кристалл может быть надежно прижат к подставке 3 с помощью дополнительной гайки 16, что способствует заметному улучшению теплового контакта между кристаллом и подставкой и лучшему охлаждению кристалла. Проведенные эксперименты показали, что оптимальной конструкцией устройства для выращивания монокристаллов-сцинтилляторов на основе иодида натрия и цезия является такая, в соответствии с которой затравочный кристалл берется высотой 20-25 мм, а перепад температуры на кристалле ΔТобщ=Тгор-Тхол создается с помощью ОТФ нагревателя величиной не менее 100°С, где Тгор и Тхол - температуры соответственно, ОТФ нагревателя, установленного на затравочный кристалл 1а перед его подплавлением, и подставки 3.In order to reduce the risk of melting of the seed crystal 1a and leakage of the
Для преодоления трудностей, связанных с приданием кварцевому тиглю 2 изнутри цилиндрической формы, в нижней его части размещают полую цилиндрическую графитовую вставку 21, в которую вставляется затравочный кристалл 1а. Затравка устанавливается с зазором, превышающим тепловое расширение кристалла при нагреве на 0.1-0.3 мм, и при расчете ее диаметра можно пользоваться вышеприведенным соотношением для величины d, в котором величину δ следует брать, равной 0.9×(D/50) мм. Благодаря тому что кристалл устанавливается в графитовый цилиндр, который может быть обработан с любой требуемой точностью, допуски на величину диаметра затравочного кристалла могут быть взяты более жесткими, что практически полностью исключает случаи вытекания расплава из тигля предлагаемого устройства.To overcome the difficulties associated with giving the
Графитовая вставка 21 играет роль формообразователя, однако в предлагаемом устройстве ее назначение иное, и кристалл выращивают иначе. Вставка задает форму выращиваемого кристалла, но в отличие от применения классических формообразователей, например, используемых для роста кристаллов методом Степанова, затвердевание расплава происходит внутри вставки (формообразователя). С другой стороны, в отличие от описанного выше устройства, использующего графитовый формообразователь, в котором кристалл до окончания процесса выращивания находится внутри этого формообразователя, в предложенном устройстве по мере роста кристалла и вытягивании его вниз кристалл 1 выводится из вставки 21, которая крепится сверху к корпусу 20 ОТФ нагревателя 4 так, что при опускании подставки 3 вместе с кристаллом 1 вставка удерживается ОТФ нагревателем, неподвижно закрепленным на верхнем штоке 6 во фланце 14 корпуса ростовой камеры 8 на одном и том же месте. Поэтому во вставке 21 постоянно находится небольшая по высоте часть кристалла, только что затвердевшая. Таким образом, кристалл, выросший при температуре ниже начала пластической деформации (обычно для различных монокристаллов эта величина составляет примерно 2/3 от температуры плавления), находится вне тигля, не испытывает термические напряжения и не требует дополнительного отжига после завершения выращивания и доставания его из тигля (ростовой камеры). Этому способствует возможность установить с помощью ОТФ нагревателя 4 и многосекционного фонового нагревателя 11 с элементами 9 и 10 тепловой изоляции малый (меньше 0.2°С/см) осевой и радиальный градиент в кристалле при остывании. При этом цилиндрическая графитовая вставка 21 имеет дополнительные пазы 22, обеспечивающие попадание расплава 5b из области над ОТФ нагревателем в область выращивания между дном ОТФ нагревателя 4 и растущим кристаллом 1.
Для получения кристаллов различной формы цилиндрическую графитовую вставку 21 изготавливают не в виде полого цилиндра, а в виде цилиндра, имеющего сквозные отверстия. Это позволяет получить кристаллы различной формы, соответствующей форме сквозных отверстий. Если графитовую вставку 21 сделать внутри не цилиндрической по форме, а прямоугольной в сечении, а для изготовления сквозных отверстий использовать прямоугольные в сечении перегородки 24, установленные во вставку 21, то отверстия будут также иметь прямоугольное сечение. В этом случае предложенное устройство позволяет получить набор прямоугольных в сечении пластин необходимого типоразмера в одном ростовом цикле. При этом затравочный кристалл по форме в своей верхней части соответствует форме отверстий в графитовой вставке, в которые затравочный кристалл вставляется с зазором, превышающим тепловое расширение кристалла при нагреве на 0.1-0.3 мм.To obtain crystals of various shapes, a
Для лучшего управления работой ОТФ нагревателя 4, лучшего контроля температуры расплава вблизи фронта кристаллизации дополнительный корпус ОТФ нагревателя 23 (п.18 формулы изобретения), изготовленный из графита снаружи кварцевого корпуса 20, который защищает термопары 18 и нагревательные элементы 19 от контакта и взаимодействия с расплавом, имеет в нижней части профиль, соответствующий сквозным отверстиям в графитовой вставке 21, и входит в эти отверстия на глубину до 10-12 мм.To better control the operation of the
Конструкция устройства предусматривает возможность закрепления вставки 21 на ОТФ нагревателе 4 не жестко, а с возможностью для ОТФ нагревателя перемещаться вниз без изменения положения вставки, например, на 10-12 мм и возвращаться в исходное положение. Кратковременное опускание ОТФ нагревателя до упора в поверхность растущего кристалла 1b позволяет получить информацию о толщине слоя расплава h, из которого растет кристалл. По измеренной величине слоя расплава и величине перепада температуры на нем ΔТр=Тгор-Тпл, где Тпл - температура плавления кристалла, можно точно определить величину осевого градиента температуры Grad Т вблизи фронта кристаллизации по соотношению Grad T=ΔТр/h и установить ее в необходимом диапазоне от 50 до 200°С/см.The design of the device provides for the possibility of fixing the
В целом ОТФ метод, в котором в процессе роста известно распределение температуры на всех граничных поверхностях системы расплав-кристалл позволяет по известным теплофизическим свойствам расплава и кристалла вести процесс выращивания по математической модели в реальном масштабе времени. Эта модель может быть уточнена, а результаты расчетов, например, положения и формы фронта кристаллизации иметь значительно меньшую погрешность, если в процессе роста периодически измерять величину слоя расплава h и вести постоянный контроль за общей высотой системы расплав-кристалл по мере изменения расстояния между дном ОТФ нагревателя и дном тигля (поверхностью подставки). С этой целью в устройстве дополнительно используется устройство 15, связанное со штоком 17 в нижней части камеры 8, для измерения перемещения L подставки 3 с кристаллом 1 относительно ОТФ нагревателя 4.On the whole, the OTF method, in which the temperature distribution is known during the growth process on all boundary surfaces of the melt-crystal system, allows the process of growing according to the mathematical model in real time to be carried out using the well-known thermal properties of the melt and crystal. This model can be refined, and the calculation results, for example, the position and shape of the crystallization front, have a significantly smaller error if the melt layer size h is periodically measured during growth and the total height of the melt-crystal system is constantly monitored as the distance between the bottom of the OTP changes the heater and the bottom of the crucible (surface of the stand). To this end, the device additionally uses a device 15 connected to the
Наконец, с целью уменьшения переноса легколетучих компонент и повышения качества монокристалла среду инертного газа создают не во всей ростовой камере 8, а в объеме, ограниченном кварцевой трубой 12, проходящей внутри фонового нагревателя 11. Торцы трубы, которая может быть сделана и из другого газонепроницаемого материала, герметично уплотняются с помощью резиновых или пластмассовых прокладок 13 в холодных зонах вверху и внизу ростовой камеры 8. Уплотнение осуществляется при прижимании фланца камеры 14 к корпусу камеры 8 при сборке ростовой камеры или с помощью другого дополнительного приспособления, но так, чтобы загрузка кристаллизатора и выемка выросшего кристалла происходила без необходимости разборки узла герметизации трубы 12 прокладками 13.Finally, in order to reduce the transport of volatile components and improve the quality of the single crystal, an inert gas medium is not created in the entire growth chamber 8, but in the volume limited by the quartz tube 12 passing inside the background heater 11. The ends of the pipe, which can be made of another gas-tight material , hermetically sealed with rubber or plastic gaskets 13 in cold zones at the top and bottom of the growth chamber 8. Sealing is carried out by pressing the flange of the chamber 14 to the housing of the chamber 8 during assembly of the growth chamber or with the help of other additional devices, but so that the mold is loaded and the grown crystal is removed without having to disassemble the pipe sealing assembly 12 by the gaskets 13.
Конкретные примеры выращивания кристаллов.Specific examples of crystal growth.
Пример 1. Затравочный кристалл из монокристалла Nal изготавливают в виде диска диаметром 58 и высотой 19 мм. Затравку устанавливают на графитовую подставку, в которой размещены 4 хромель-копелевые термопары. На затравку с зазором надевают кварцевый тигель без дна с внутренним диаметром приблизительно 56 мм, который в нижней части высотой 20 мм предварительно изнутри обрабатывают, придавая ему более правильную цилиндрическую форму с диаметром около 60 мм. Засыпают шихту Nal с добавками активатора в виде гранул TII и размещают внутри тигля ОТФ нагреватель с 2 хромель-копелевыми термопарами в чехле из кварцевого стекла. Кристаллизатор на нижнем штоке опускают в ростовую камеру вовнутрь кварцевой трубы. Труба диаметром около 95 мм и толщиной стенки 4-5 мм проходит внутри фонового нагревателя, представляющего собой 4 секции общей высотой около 300 мм, намотанные жаропрочной проволокой диаметром 1 мм на алундовой трубе с внутренним диаметром 100 мм.Example 1. The seed crystal of Nal single crystal is made in the form of a disk with a diameter of 58 and a height of 19 mm The seed is mounted on a graphite support in which 4 chromel-kopel thermocouples are placed. A quartz crucible without a bottom with an inner diameter of approximately 56 mm is put on the seed with a gap, which is preliminarily processed from the inside in the lower part with a height of 20 mm, giving it a more regular cylindrical shape with a diameter of about 60 mm. Pour Nal charge with activator additives in the form of TII granules and place a heater with 2 chrome-kopel thermocouples in a quartz glass case inside the OTF crucible. The mold on the lower rod is lowered into the growth chamber inside the quartz tube. A pipe with a diameter of about 95 mm and a wall thickness of 4-5 mm passes inside the background heater, which is 4 sections with a total height of about 300 mm, wound with heat-resistant wire with a diameter of 1 mm on an alundum pipe with an inner diameter of 100 mm.
Камеру откачивают до давления 10-1-5×10-2 мм рт.ст. и нагревают тигель с шихтой до температуры плавления в вакууме для удаления влаги и паров воды. Перед расплавлением кристалла в объем трубы подают аргон, создавая избыточное давление 0.3 атм. Кристаллическую затравку, на которой устанавливают перепад 100-110°С, расплавляют сверху на 4-5 мм, контролируя толщину слоя с помощью ОТФ нагревателя погружением его до упора в поверхность кристалла. Варьируя мощности фонового и ОТФ нагревателя, устанавливают необходимую величину температурного градиента на фронте кристаллизации в диапазоне 50-55°С/см. После выдержки в течение часа начинают выращивание, опуская тигель с кристаллом вниз в холодную зону со скоростью 5 мм/час и поддерживая постоянной величину температуры на ОТФ-нагревателе Тгор. При этом температура Тхол подставки снижается линейно со временем с темпом около 5°С/час.The camera is pumped to a pressure of 10 -1 −5 × 10 −2 mm Hg. and heat the crucible with the mixture to a melting point in vacuum to remove moisture and water vapor. Before melting the crystal, argon is fed into the tube volume, creating an overpressure of 0.3 atm. The crystal seed, on which a difference of 100-110 ° C is set, is melted from above by 4-5 mm, controlling the thickness of the layer with the help of an OTF heater by immersing it all the way into the crystal surface. By varying the power of the background and OTP heaters, the required value of the temperature gradient at the crystallization front is set in the range of 50-55 ° C / cm. After exposure for an hour, they begin growing by lowering the crucible with the crystal down into the cold zone at a speed of 5 mm / hour and maintaining a constant temperature value on the TFT heater T mountains . The temperature T decreases linearly stand cold over time with the rate of about 5 ° C / hour.
После завершения выращивания тигель с кристаллом находится в нижней части фонового нагревателя, спроектированного так, что его самая нижняя секция имеет достаточный запас по мощности, чтобы поддерживать необходимую температуру кристалла при выключенных остальных секциях. Меняя мощность ОТФ нагревателя и секций фонового нагревателя, устанавливают равномерное распределение температуры на кристалле и медленно его охлаждают. Выращенный кристалл диаметром около 56 мм и высотой 48 мм вынимают из тигля. Нижнюю часть кристалла отрезают и используют повторно в качестве затравки.After growing, the crucible with the crystal is located in the lower part of the background heater, which is designed so that its lowest section has a sufficient power margin to maintain the required temperature of the crystal while the remaining sections are turned off. Changing the power of the OTF heater and sections of the background heater, establish a uniform temperature distribution on the crystal and slowly cool it. The grown crystal with a diameter of about 56 mm and a height of 48 mm is removed from the crucible. The lower part of the crystal is cut off and reused as a seed.
Пример 2. Затравку из монокристалла Csl изготавливают в виде диска диаметром 58 мм и высотой 22 мм. В нижней части затравочный кристалл имеет буртик диаметром 63 высотой 3 мм. Затравку устанавливают на графитовую подставку, в которой размещены 4 хромель-алюмелевые термопары и прижимают к ней гайкой. На затравку с зазором надевают кварцевый тигель без дна с внутренним диаметром приблизительно 56 мм, который в нижней части высотой 25 мм предварительно изнутри обрабатывают, придавая ему более правильную цилиндрическую форму с диаметром около 60 мм. Засыпают шихту Csl с добавками активатора в виде гранул TII и размещают внутри тигля ОТФ нагреватель с 2 хромель-алюмелевыми термопарами в чехле из кварцевого стекла. Кристаллизатор на нижнем штоке опускают в ростовую камеру, описанную в примере 1, внутрь кварцевой трубы и проводят все аналогичные вспомогательные процедуры. При этом на затравочном кристалле устанавливают перепад в 140°С, расплавляют его сверху на 8-10 мм, уменьшая затем толщину расплава до 3-4 мм..Example 2. The seed from a single crystal Csl is made in the form of a disk with a diameter of 58 mm and a height of 22 mm In the lower part, the seed crystal has a shoulder with a diameter of 63 3 mm high. The seed is mounted on a graphite support, in which 4 chromel-alumel thermocouples are placed and pressed against it with a nut. A quartz crucible without a bottom with an inner diameter of approximately 56 mm is put on the seed with a gap, which is preliminarily processed from the inside from the bottom with a height of 25 mm, giving it a more regular cylindrical shape with a diameter of about 60 mm. The Csl charge with the activator additives in the form of TII granules is poured and the heater with 2 chrome-alumel thermocouples is placed inside the OTF crucible in a quartz glass case. The mold on the lower stem is lowered into the growth chamber described in Example 1 into the quartz tube and all similar auxiliary procedures are carried out. At the same time, a difference of 140 ° С is established on the seed crystal, it is melted from above by 8-10 mm, then the melt thickness is reduced to 3-4 mm.
Перед началом роста устанавливают градиент температуры на фронте кристаллизации 70-75°С/см. Выдерживают расплав в течение 1.5 часов и начинают выращивание, опуская тигель с кристаллом вниз в холодную зону со скоростью 2 мм/час и поддерживая постоянной величину температуры на ОТФ нагревателе Тгор. С помощью датчика перемещения, установленного на нижнем штоке измеряют величину перемещения L и определяют общее расстояние Δ между дном ОТФ нагревателя и дном подставки в каждый момент времени проведения замера. По математической модели, например, одномерной в каждый момент времени находят положение фронта кристаллизации Н и искомую температуру Тхол подставки, которую поддерживают с помощью автоматической системы управления, по следующим соотношениям:Before the start of growth, a temperature gradient is established at the crystallization front of 70-75 ° C / cm. They maintain the melt for 1.5 hours and begin growing by lowering the crucible with the crystal down into the cold zone at a speed of 2 mm / hour and maintaining a constant temperature on the TFT heater T mountains . Using the displacement sensor installed on the lower rod, the displacement value L is measured and the total distance Δ between the bottom of the OTF of the heater and the bottom of the stand is determined at each instant of measurement. According to a mathematical model, for example, one-dimensional at each moment of time, the position of the crystallization front H and the desired temperature T hall of the support are found, which is maintained using an automatic control system, according to the following relations:
где λр и λкр - теплопроводность расплава и кристалла, ν - скорость роста кристалла, J - теплота кристаллизации, ρ - плотность расплава, L и L0 - текущее и начальное показания датчика перемещения, Δ0 - расстояние между дном ОТФ нагревателя и дном подставки перед вытягиванием кристалла.where λ p and λ cr are the thermal conductivity of the melt and the crystal, ν is the crystal growth rate, J is the heat of crystallization, ρ is the melt density, L and L 0 are the current and initial readings of the displacement sensor, Δ 0 is the distance between the bottom of the OTF of the heater and the bottom stands before pulling the crystal.
Охлаждение кристалла проводят аналогично описанию в примере 1.The crystal is cooled as described in example 1.
Пример 3. Затравочный монокристалл Csl изготавливают в виде диска диаметром 49 мм и высотой 25 мм с буртиком, описанным в примере 2. Затравку устанавливают на графитовую подставку и также прижимают к ней гайкой. На затравку с зазором надевают цилиндрическую графитовую вставку с внутренним диаметром 51 мм и наружным диаметром чуть меньше 56 мм, чтобы свободно входить в кварцевый тигель без дна, причем вставка свободно висит на ОТФ нагревателе. По боковым поверхностям вставки делают несколько пазов, обеспечивающих свободное попадание расплава из зоны над ОТФ нагревателем в зону под ним, где осуществляется выращивание. Шихту Csl с добавками активатора в виде гранул TII засыпают в тигель.Example 3. The seed crystal Csl is made in the form of a disk with a diameter of 49 mm and a height of 25 mm with a shoulder described in example 2. The seed is mounted on a graphite support and also pressed against it with a nut. A cylindrical graphite insert with an inner diameter of 51 mm and an outer diameter of slightly less than 56 mm is put on the seed with a gap to freely enter the quartz crucible without a bottom, and the insert hangs freely on an OTF heater. Several grooves are made along the lateral surfaces of the insert, which ensure free flow of the melt from the zone above the OTF heater to the zone below it, where it is grown. A Csl mixture with activator additives in the form of TII granules is poured into a crucible.
Аналогично примеру 1 кристаллизатор размещают в ростовой камере и выводят на режим выращивания. Выращивание ведут таким же образом, опуская подставку с кристаллом вниз в холодную зону. Однако поскольку вставка (вместе с тиглем) висит на ОТФ нагревателе, закрепленном через верхний шток во фланце камеры, то кристалл вытягивается из вставки с тиглем по мере его роста.Analogously to example 1, the mold is placed in a growth chamber and brought to the growing mode. Cultivation lead in the same way, lowering the stand with the crystal down into the cold zone. However, since the insert (together with the crucible) hangs on the OTF heater fixed through the upper rod in the chamber flange, the crystal is pulled out of the insert with the crucible as it grows.
После завершения выращивания подставка с кристаллом находиться в нижней части фонового нагревателя. Аналогично примеру 1 устанавливают равномерное распределение температуры на кристалле и медленно его охлаждают. Выращенный кристалл диаметром, равным диаметру вставки снимают с подставки. При этом нет необходимости отжигать кристалл повторно, что существенно сокращает время и затраты на эту процедуру. Важным является также то, что отсутствует операция по доставанию кристалла из кварцевого тигля, приводящая к его разрушению. Экономия кварцевых труб, которые используют для изготовления тигля или разовых ампул, - существенная составляющая экономии при производстве кристаллов-сцинтилляторов.After growing, the crystal stand is located at the bottom of the background heater. Analogously to example 1, establish a uniform temperature distribution on the crystal and slowly cool it. The grown crystal with a diameter equal to the diameter of the insert is removed from the stand. There is no need to anneal the crystal repeatedly, which significantly reduces the time and cost of this procedure. It is also important that there is no operation to get the crystal out of the quartz crucible, leading to its destruction. Saving quartz tubes, which are used to make crucibles or single ampoules, is an essential component of saving in the production of scintillator crystals.
Конструкция устройства, позволяющая получать в эксперименте набор монокристаллов заданной формы, будет испытана при разработке технологии получения крупноразмерных пластин, которые используются в качестве так называемых секций в приборах для бесконтактного диагностирования. Получение пластин заданной толщины в 5-10 мм, в производстве которых отсутствует стадия раскроя крупногабаритных кристаллов, в 1.5-2 раза может увеличить его эффективность.The design of the device, which allows to obtain in the experiment a set of single crystals of a given shape, will be tested during the development of technology for producing large-sized plates, which are used as so-called sections in devices for non-contact diagnosis. Obtaining plates of a given thickness of 5-10 mm, in the production of which there is no stage for cutting large crystals, can increase its efficiency by a factor of 1.5-2.
Источники информацииInformation sources
1. Л.М.Шамовский. Кристаллофосфоры и сцинтилляторы в геологии. - М.: Недра, 1985. - С.240.1. L.M. Shamovsky. Crystallophosphors and scintillators in geology. - M .: Nedra, 1985. - P.240.
2. В.И.Горилецкий и др. Рост кристаллов: галогениды щелочных металлов. - Харьков: Акта, 2002. - 536 с.2. V.I. Goriletsky et al. Crystal growth: alkali metal halides. - Kharkov: Act, 2002 .-- 536 p.
3. Способ получения сцинтилляционных щелочно-галоидных кристаллов. SU 1304442 А1, 20.01.1977.3. A method for producing scintillation alkali halide crystals. SU 1304442 A1, 01.20.1977.
4. Монокристаллический материал для спектрометрических сцинтилляторов и способ его получения, RU 1362088 С, 30.12.94.4. Monocrystalline material for spectrometric scintillators and method for its preparation, RU 1362088 C, 12.30.94.
5. Способ получения щелочно-галоидных кристаллов. SU 1431392 А1, 15.03.93.5. A method of producing alkali halide crystals. SU 1431392 A1, 03/15/93.
6. Н.Н.Колесников, Н.С.Бергизиярова. Универсальный способ выращивания кристаллов широкозонных II-VI соединений. Наука - производству 1999 №3 (16) с.35-38.6. N.N. Kolesnikov, N.S. Bergiziyarova. A universal method for growing crystals of wide-gap II-VI compounds. Science - Production 1999 No. 3 (16) p. 35-38.
7. Метод направленной кристаллизации монокристаллов, US 5047113 А, 10.09.1991.7. The method of directional crystallization of single crystals, US 5047113 A, 09/10/1991.
8. Устройство для выращивания кристаллов, RU 1800854 А1, 05.01.1993.8. Device for growing crystals, RU 1800854 A1, 01/05/1993.
9. Устройство для выращивания кристаллов, RU 2199615 С1, 27.02.2003.9. A device for growing crystals, RU 2199615 C1, 02.27.2003.
10. Способ получения монокристаллических детекторов на основе фтористого лития, SU 1707088 А1, 23.01.1992.10. A method of producing single crystal detectors based on lithium fluoride, SU 1707088 A1, 01/23/1992.
Claims (23)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006111068/15A RU2338815C2 (en) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | Method of growing monocrystals-scintillators based on sodium iodide or caesium iodide and device for implementing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006111068/15A RU2338815C2 (en) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | Method of growing monocrystals-scintillators based on sodium iodide or caesium iodide and device for implementing method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006111068A RU2006111068A (en) | 2007-10-27 |
| RU2338815C2 true RU2338815C2 (en) | 2008-11-20 |
Family
ID=38955329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006111068/15A RU2338815C2 (en) | 2006-04-06 | 2006-04-06 | Method of growing monocrystals-scintillators based on sodium iodide or caesium iodide and device for implementing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2338815C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2493636C2 (en) * | 2011-08-17 | 2013-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | Apparatus for creating temperature gradient in sample |
| RU212991U1 (en) * | 2021-08-30 | 2022-08-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | DEVICE FOR CLEANING SUBSTANCES BY THE METHOD OF NORMAL DIRECTIONAL CRYSTALLIZATION |
-
2006
- 2006-04-06 RU RU2006111068/15A patent/RU2338815C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2493636C2 (en) * | 2011-08-17 | 2013-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" | Apparatus for creating temperature gradient in sample |
| RU212991U1 (en) * | 2021-08-30 | 2022-08-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | DEVICE FOR CLEANING SUBSTANCES BY THE METHOD OF NORMAL DIRECTIONAL CRYSTALLIZATION |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006111068A (en) | 2007-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6969502B2 (en) | Method and device for growing large-volume oriented monocrystals | |
| CN110284186B (en) | Czochralski single crystal furnace and method for measuring and controlling longitudinal temperature gradient of Czochralski single crystal furnace | |
| JPS5854115B2 (en) | How to use tankets | |
| EP1774068B1 (en) | Method of growing single crystals from melt | |
| US5047113A (en) | Method for directional solidification of single crystals | |
| EP1022362B1 (en) | Process for producing crystal article | |
| JP3232461B2 (en) | Single crystal growth method | |
| US9273411B2 (en) | Growth determination in the solidification of a crystalline material | |
| TWI568897B (en) | Cultivation method of silicon single crystal | |
| RU2338815C2 (en) | Method of growing monocrystals-scintillators based on sodium iodide or caesium iodide and device for implementing method | |
| US5879449A (en) | Crystal growth | |
| RU2330126C2 (en) | METHOD OF GROWING Cd1-xZnxTe, WHERE 0≤х≤1 | |
| US4784715A (en) | Methods and apparatus for producing coherent or monolithic elements | |
| JP2985040B2 (en) | Single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method | |
| KR100665683B1 (en) | Method for manufacturing silicon single crystal | |
| JP3812573B2 (en) | Semiconductor crystal growth method | |
| RU2813036C1 (en) | Method for growing single crystals of trinary compound of zinc, germanium and phosphorus | |
| KR101472351B1 (en) | Method for interpreting a growing of sapphire single crystal and method for growing sapphire single crystal | |
| TWI515166B (en) | Method and apparatus for solidification and purification of metallic silicon | |
| RU2199614C1 (en) | Method of growing crystals | |
| RU2633899C2 (en) | Method for cd1-xznxte single crystals growing, where 0≤x≤1, for inoculation at high pressure of inert gas | |
| RU2381305C1 (en) | METHOD OF GROWING GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH DIAMETRE OF UP TO 150 mm USING OTF METHOD | |
| Sohail et al. | Three-Dimensional Modeling of the Effects of Misalignment on the Growth of Ge1− xSix by The Traveling Solvent Method | |
| RU2199615C1 (en) | Crystal growing method | |
| Taranyuk | Skull method—an alternative scintillation crystals growth technique for laboratory and industrial production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090407 |