Спосіб вирощування монокристалів вольфрамату кадмію

Изобретение относится к области получения сцинтилляционных монокристаллов, используемых для регистрации рентгеновского и гамма-излучения, в том числе в томографической технике. Применение сцинтилляционных монокристаллов для регистрации высокоэнергетических излучений в современных устройствах и приборах нового поколения предъявляют к ним новые более жесткие требования, а именно: они должны иметь высокую плотность (~8г/см 3), малую радиационную длину (~1см), малое послесвечение (менее 0,01%), быть негигроскопичными, обладать термической, механической и радиационной стойкостью наряду с хорошими сцинтилляционными параметрами. Известен способ выращивания монокристаллов вольфрамата кадмия [1, 2] методом Чохральского, включающий наплавление шихты стехиометрического состава и последующее выращивание на затравку в кислородсодержащей атмосфере. Как правило, скорости вытягивания и вращения затравкодержателя составляют (1 - 5)мм/час и (10 - 40)об/мин, соответственно. Полученные в работе [1] монокристаллы вольфрамата кадмия имеют достаточно высокую радиационную прочность по сравнению с щелочногалоидными монокристаллами. При воздействии гамма-излучения от источника дозой через 2 часа уход светового выхода монокристаллов относительно первоначальной величины составил 10% [3]. Однако, указанные параметры не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к радиационной стойкости сцинтилляционных монокристаллов. Световой выход некоторых образцов, вырезанных из верхней части монокристалла, полученного в [2], уменьшался на 10% при дозах гамма-облучения ~ через 1час после снятия облучения [4]. Однако полученные монокристаллы отличались значительной неоднородностью сцинтилляционных характеристик и параметров радиационной стойкости по длине кристаллической були [4]. Неоднородность характеристик связывалась с наличием дефектов, которые обусловлены образованием в монокристалле по мере его роста областей с нарушенной стехиометрией (вакансии в подрешетке кадмия). У образцов, вырезанных из дефектной, нижней части монокристаллической були, после облучения дозой уменьшение светового выхода составляло ~30% через 1час после облучения. Неоднородность полученного монокристалла и недостаточная радиационная стойкость исключают возможность его использования в детектирующих устройствах нового поколения. В качестве прототипа по достигаемому эффекту нами выбран способ [2]. В основу изобретения поставлена задача создания способа выращивания монокристаллов вольфрамата кадмия методом Чохральского, который обеспечил бы получение монокристаллов с повышенной радиационной стойкостью за счет введения новой технологической операции, что позволило бы использовать их в приборах и устройствах нового поколения. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе выращивания монокристаллов вольфрамата кадмия, включающем направление шихты сте хиометрического состава и последующее выращивание вытягиванием на затравку в кислородсодержащей атмосфере, согласно изобретению, в шихту, либо в расплав дополнительно вводят примесь соединений трехвалентного металла и др.) в количестве (1 × 10-4 - 5 × 10-3)мас.%. Причиной низкой радиационной стойкости являются дорадиационные дефекты (анионные либо катионные вакансии). При воздействии радиации, за счет захвата носителей заряда, образуются Г-центры окраски, что приводит к снижению сцинтилляционных параметров [3, 4]. Введение примеси трехвалентного соединения металла железа гольмия висмута европия гадолиния и др. в заявляемых количествах приводит к появлению избыточного положительного заряда в кристаллической решетке, компенсация которого, по нашему мнению, осуществляется за счет образования сложного комплекса, устойчивого к воздействию радиации, и включающего трехвалентный металл и дорадиационные дефекты. Кроме того, повышается и оптическая однородность монокристалла. Примесь трехвалентного металла можно вводить как в шихту, так и в расплав, что не отражается на величине радиационной стойкости. Следует отметить, что введение примеси соединений трехвалентного металла приводит к некоторому снижению величины светового выхода. Однако, учитывая тот факт, что в томографии используются сцинтилляционные монокристаллы вольфрамата кадмия небольшой толщины, порядка нескольких мм, снижение светового выхода в среднем не более, чем на 30% не является существенным, в то время, как недостаточная радиационная стойкость приводит к нестабильности работы томографа. Таким образом, введение примеси соединения трехвалентного металла в приводит к увеличению радиационной стойкости сцинтилляционного монокристалла и повышению оптической однородности вдоль кристаллической були. При введении в расплав (либо в ши хту) примеси в количестве большей, чем 5 × 10-3мас.%, наблюдается значительное снижение светового выхода необлученных образцов. При концентрациях, меньших 10-4мас.%, уменьшение светового выхода при гамма-облучении дозой составляет 5 - 7%, т.е. наблюдается снижение радиационной стойкости. Предлагаемый способ может быть реализован на ростовых установках типа "Кристалл-3М" или "Донец" следующим образом. 1. В платиновый тигель засыпают шихту вольфрамата кадмия весом 2200г, расплавляют ее при температуре 1280°C, затем добавляют окись железа в количестве 0,01г. Выращивание осуществляют методом Чохральского со скоростью вытягивания 4мм/ч, скоростью вращения затравкодержателя 30об./мин в кислородсодержащей атмосфере. Из полученной кристаллической були вырезали томографические элементы размером 4 ´ 15 ´ 2м 3. Световой выход элементов измерялся при возбуждении источником относительно монокристалла После воздействия гамма-радиацией дозой через 1час после облучения световой выход элементов составил 98%. 2. Как уже было указано, примесь соединения трехвалентного металла можно вводить в шихту. В шихту вольфрамата кадмия весом 2200г добавляют окись железа в количестве 0,01г. Полученную смесь шихты наплавляют в платиновый тигель при температуре 1280°C. Последующие операции такие же, как в [1]. В аналогичных условиях выращивали монокристаллы вольфрамата кадмия с добавками примеси соединений других трехвалентных металлов (см. табл.1). В табл.1 приведены сравнительные характеристики монокристаллов, полученных в [3, 4] и о соответствии с предлагаемым способом. Из параметров, приведенных в таблице, следует, что необходимая радиационная стойкость обеспечивается лишь в пределах заявляемых количеств вводимой примеси (примеры 1 - 4, 7 - 9, 12 - 14, 17 - 19, 22 - 24). При введении примеси меньше 1 × 10-4мас.% наблюдается снижение радиационной стойкости монокристаллов на 7 - 9% (примеры 5, 10, 15, 20, 25). Увеличение количества вводимой примеси более, чем 5 × 10-3мас.%, приводит к уменьшению светового выхода монокристаллов на 50% и более, еще не подвергнутых облучению, хо тя радиационная стойкость таких монокристаллов достаточно высокая, (примеры 6, 11, 16, 21, 26). Таким образом, по сравнению с аналогом [1] и прототипом [2], предлагаемый способ обеспечивает увеличение радиационной стабильности в 5 раз и более, т.к. у лучши х образцов, полученных по способу [2], уход светового вы хода через 1час после облучения дозой составил 10%, у монокристаллов, полученных по предлагаемому способу, не более 2%. Для сравнения радиационной стойкости монокристаллов вольфрамата кадмия в условиях, приближенных к работе рентгеновского томографа, были получены монокристаллы по предлагаемому способу и по способу [2] и из них изготовлены томографические элементы. Световой выход измерялся в процессе воздействия рентгеновского излучения при дозах до Результаты измерений показали, что при дозах изменение светового выхода элементов, полученных по предлагаемому способу в 4 - 5 раз меньше по сравнению с образцами, полученными по способу [2] (табл.2).