Спосіб підготовки сировини на основі йодиду натрію для вирощування монокристалів

Спосіб підготовки сировини на основі йодиду натрію для вирощування монокристалів, що включає завантаження вихідної солі йодиду натрію в ампулу, її вакуумування, потім нагрівання при постійному вакуумуванні, введення сухого повітря з наступним витримуванням, повторний напуск сухого повітря, витримування й відкачування при відповідних режимах і повторне вакуумування, який відрізняється тим, що нагрівання солі ведуть до температури 420-450°С. Винахід відноситься до очищення йодидів лужних металів від домішок органічних сполук і може бути використаний в хімічній промисловості зокрема при сушінні порошкоподібного йодиду натрію, який застосовується для вирощування монокристалів. Вихідна сировина - йодиди лужних металів (NaJ, CsJ), що використовується для вирощування монокристалів містить, за даними кількісного аналізу, у своїй сполуці до 5×10-3масс.% вуглецю у вигляді органічних сполук. В процесі термічної обробки відбувається їх розкладання з утворенням вуглецю, який осідає на поверхні солі у вигляді темних утворень. Кінетика процесу розкладання органічних домішок в вихідних солях складна. Склад домішок органічної фази не постійний і змінюється як в кількісному, так і в якісному відношенні. Забруднення вихідної сировини сторонніми включеннями приводить до зниження якості вирощуваних монокристалів. Основною вимогою, пропонованою до способів сушіння йодидів лужних металів, є запобігання гідролізу солей при їхній обробці й одержання кінцевого продукту вільного від органічних сполук і води. Відомий спосіб підготовки сировини для вирощування монокристалів [а.с. СРСР №176565, кл. B01J17/06], що включає завантаження вихідної солі в ампулу, попередню відкачку при кімнатній температурі, нагрівання солі при постійному вакуумуванні аж до розплавлення, заповнення ампули сухим повітрям, витримку протягом 24 годин (наприклад, для обробки 8 кг розплавленого йодистого натрію в ампулі діаметром 100мм) і наступне вакуумування. Відомий спосіб підготовки сировини для вирощування монокристалів [а.с. СРСР №1429601, кл. С30В11/02], що включає завантаження вихідної солі в ампулу, її вакуумування до залишкового тиску 1×10-1мм рт.ст., нагрівання солі до 600°С протягом 4 годин при постійному вакуумуванні, витримку в цих умовах протягом 20 годин для дегідратації солі. Потім ампулу розміщують в камері плавлення ростової печі, температуру в якій вста (19) UA (11) 80305 (13) (21) a200505421 (22) 06.06.2005 (24) 10.09.2007 (46) 10.09.2007, Бюл. №14, 2007р. (72) Бояринцев Андрій Юрійович, Волошко Олександр Юрійович, Гриньов Борис Вікторович, Івкова Тетяна Іванівна, Кісіль Олена Михайлівна, Кудін Костянтин Олександрович, Софронов Дмитро Семенович, Чернишенко Віктор Якович, Шишкін Олег Валерійович (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, ЗАКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПАРК "ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ" (56) UA 71834 C2, 15.12.2004 SU 1429601 A1, 07.03.1993 SU 1039253 A1, 15.04.1993 C2 1 3 новлюють 750°С, при цьому заповнюють ампулу газоподібним киснем до тиску 150-530мм рт.ст. (або 0,2-0,7атм.), витримують до повного розплавлення солі і повторно вакуумують ампулу з розплавом до залишкового тиску 1×10-1мм рт.ст., після чого проводять вирощування. Відомий спосіб підготовки сировини для вирощування монокристалів [а.с. СРСР №1039253, кл. С30В11/02], що включає завантаження вихідної солі в ампулу, її вакуумування до залишкового тиску 1×10-1мм рт.ст., нагрівання солі до 580-600°С протягом 4 годин при постійному вакуумуванні, витримку в таких умовах протягом 20 годин, напуск сухого повітря з добавкою кисню в кількості 45-50% до тиску 760мм рт.ст. (або 1,0атм.) з послідуючою витримкою протягом 1,0-1,5 години і повторне вакуумування до тиску 1×10-1мм рт.ст., після чого ампулу з дегідратованим і звільненим від органічних домішок сировину поміщають в ростову піч и плавлять сировину в ампулі при температурі 750-760°С. Процес випалювання органічних домішок у відомих способах протікає при високих температурах, при яких відбувається спікання солі, тим самим роблячи придатним дані способи підготовки сировини тільки для вирощування монокристалів методом Стокбаргера, у якому підготовка сировини й вирощування здійснюється в одній і тій же ампулі. Необхідно також відзначити, що при температурах більше 500°С можливе утворення піровуглецю, стійкого в атмосфері повітря до 900°С [пат. РФ №2209850, кл. С23С 16/26], що не бажано для вирощування якісних монокристалів. Для вирощування великогабаритних монокристалів (діаметром більше 500мм) потрібне постійне підживлення розплаву вихідною сировиною, для чого підготовлену сировину з ампули необхідно пересипати в бункер ростової печі. На сьогодні процес видалення органічних домішок при підготовці сировини для вирощування монокристалів [Лабораторний технологічний регламент №Р14-01 на одержання збезводнених солей натрію йодистого й цезію йодистого для вирощування монокристалів методом вакуумного сушіння з наступною термообробкою і випалюванням органічних домішок. Науково-дослідне відділення лужно-галоїдних кристалів з дослідним виробництвом НТК "Інститут монокристалів" НАН України, Харків, 2001р.], включає завантаження вихідної солі в ампулу, вакуумування ампули протягом 0,5-1,0 години до залишкового тиску 63×10-1мм рт.ст., нагрівання солі до 550-580°С при постійному вакуумуванні протягом 2-3 годин (при цьому відбувається піроліз сировини), введення суміші, утримуючої аргон та кисень (вміст кисню 20-30%) до тиску 400мм рт.ст. (~500гПа), витримку при вказаній температурі протягом 1 години, відкачку протягом 2 годин, охолодження сировини і «розтруску» спікшоїся сировини вручну. При великому вмісту органічних домішок проводять допалювання продуктів піролізу повторним напуском суміші, утримуючої аргон та кисень (вміст кисню 20-30%). 80305 4 Відомий спосіб є, на відміну від попередніх аналогів, менш тривалим, а, отже й менш енергоємним. Але, так само як й у наведених аналогах, у даному способі при зазначених температурах спостерігається спікання солі, хоча й у меншому ступені, тому ручна "розтруска" солі в ампулах є додатковою, але достатньою операцією для можливості наступного пересипання сировини в бункери ростових установок. Як прототип нами обраний останній з аналогів. В основу дійсного винаходу поставлене завдання розробки більше простого способу підготовки сировини для вирощування монокристалів і забезпечення зниження енерговитрат. Рішення завдання забезпечується тим, що в способі підготовки сировини для вирощування монокристалів, що включає завантаження вихідної солі в ампулу, її вакуумування, нагрівання солі при постійному вакуумуванні, введення сухого повітря з наступною витримкою, повторний напуск сухого повітря, витримку й відкачку при зазначених режимах і повторне вакуумування, відповідно до винаходу, нагрівання солі ведуть до температури 420-450°С. Як показали наші дослідження, при температурі 420-450°С процес утворення вуглецю загальмований, але відбувається інтенсивне розкладання органічних домішок з утворенням газоподібних вуглеводнів, окису (CO) і двоокису (СО2) вуглецю, які вільно видаляються з ампул при відкачці ще до напуску сухого повітря. Домішки, що не розклалися, окислюються при напуску сухого повітря при цих же температурах з утворенням так само газоподібних продуктів, які й видаляються при наступному вакуумуванні. В результаті кінцевий вміст органічних домішок у солі становить менш 1×10-3масс.%. При заявлених параметрах виключається і спікання солі, отже, і додаткова операція "розтруски" солі в ампулах. Енерговитрати знижуються за рахунок використання значно нижчих температур. Зменшення температури нагрівання солі нижче 420°С приводить до вповільнення утворення газоподібних вуглеводнів, СО і СО2, що збільшує тривалість усього процесу. Збільшення температури вище 450°С приводить до утворення піровуглецю, що й спостерігається в аналогах і прототипі, у яких спочатку піролізують органічні домішки до вуглецю, а потім випалюють його киснем. Приклад. 9кг йодистого натрію завантажують в ампулу діаметром 250мм і висотою 800мм. Ампулу відкачують до залишкового тиску 2×10-2мм рт.ст. при кімнатній температурі протягом 12 годин. Поміщають ампулу в розігріту піч до 420°С и витримують сіль при постійному вакуумуванні протягом 6 годин. При цих умовах уже утворяться газоподібні вуглеводні, CO і СО2, які вільно видаляються з ампули при відкачці до тиску 1×10-1мм рт.ст. її до напуску сухого повітря. Потім заповнюють ампулу сухим повітрям до 600мм рт.ст. Сировину витримують в атмосфері сухого повітря протягом 20хв., після цього об'єм ампули вакуумують до залишкового тиску 1×10-1мм рт.ст., видаляючи при цьому разом з залишками повітря і газоподібні продукти 5 80305 горіння. Потім знову напускають сухе повітря до 600мм рт.ст. і проводять повторне випалювання протягом 20хв. з послідуючим вакуумуванням до 2×10-2мм рт.ст. Отриману таким чином сіль піддають контролю якості по параметрам: - сипкість - однорідна порошкоподібна сіль без видимих спечених грудок розмірами менш 3мм; - наявність слідів води - менш 1×10-3масс.%; Комп’ютерна верстка В. Клюкін 6 - сторонні включення відсутні; - кінцевий вміст органічних домішок у солі після їх доалювання - менш 1×10-3масс.%. Після контролю завакуумована ампула з дегідратованною і звільненою від органічних домішок сировиною відправляють до бункера ростовой установки для вирощування монокристала. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601