Спосіб одержання кристалів вольфрамату свинцю

Изобретение относится к способам получения монокристаллов и может быть использовано при промышленном производстве монокристаллов вольфрамата свинца PbWO4(PWO), предназначенных для исследований в физике высоких энергий, в частности, для использования в детекторах полного поглощения энергии ЕМ-калориметров требуются сцинтилляторы PW0 длиной не менее 180 мм. Основным дефектом, присутствующим в монокристаллах PWO, являются центры окраски, ухудшающие сцинтилляционные параметры сцинтилляторов, что ограничивает их использование в физике высоких энергий. Известен способ выращивания монокристаллов вольфрамата свинца в котором монокристаллы PW0 0 32 х 220 мм выращивались методом Чохральского из платиновых тиглей в воздушной среде. При этом спектрально-оптические характеристики монокристаллов очень чувствительны к малейшим изменениям технологического процесса их получения, и даже выращивания PW0 в оптимальных условиях не устраняет окраску кристалла, а на спектре пропускания присутствует полоса поглощения в области 430 нм. Известен также способ выращивания монокристаллов PWO, в котором для улучшения прозрачности монокристаллов PW0 выращивание методом Чохральского проводили как в среде близкой по составу к воздуху, так и при увеличенном атмосферном давлении в ростовой камере, а также добавками в расплав ниобия (Nb) для повышения однородности монокристаллов, Указанные меры способствовали улучшению прозрачности монокристаллов лишь в диапазоне 300-400 нм, но также не устраняли их окраску, а на спектре пропускания по-прежнему присутствовала полоса поглощения в области 420 нм. Наиболее близким к заявляемому и выбранным в качестве прототипа является способ получения монокристаллов вольфрамата свинца, который включает выращивание их из расплава с последующей термообработкой. В этом способе исследуется влияние среды выращивания, материала тигля и последующая термообработка монокристаллов PWO на их окрашивание и спектрально-оптические характеристики. Показано, что монокристаллы PWO 0 15x100 мм, выращенные из платиновых тиглей методом Чохральского в среде кислорода имели желтую окраску и соответственно полосу поглощения в спектре пропускания в области 425 нм. Дальнейшая их термообработка (отжиг) на воздухе не привела к исчезновению желтой окраски. Монокристаллы, выращенные из иридиевых тиглей в среде аргона были светло-серыми, отсутствовала полоса поглощения в спектре пропускания, но прозрачность в диапазоне 370-500 нм достигала ~ 65%, причем измерения проводились на образцах толщиной 5,0 мм, что является не объективным для оценки качества кристалла длиной 100 мм, так как с увеличением толщины образца увеличивается интегральное поглощение света. В данном способе лучшие результаты были получены на образцах из монокристаллов, выращенных из иридиевых тиглей в среде аргона с последующим их отжигом на воздухе. На этих монокристаллах было замечено появление слабо выраженной желтоватой окраски, хотя прозрачность их увеличилась до 75%. В основу изобретения поставлена задача разработки способа получения монокристаллов вольфрамата свинца, обеспечивающего выращивание бесцветных кристаллов с улучшенными оптическими характеристиками. Решение задачи обеспечивается тем, что в способе получения монокристаллов вольфрамата свинца, включающем их выращивание из расплава и последующую термообработку, согласно изобретению, выращивание монокристаллов осуществляют в среде, содержащей кислород в количестве 0,02-0,3% объема, а термообработку проводят при содержании кислорода 0,001-0,03%. Кроме того, использование в заявляемом способе тигля из платины позволяет значительно сократить материальные затраты по сравнению с прототипом. Экспериментально установленные пределы содержания кислорода в среде, используемой как на этапе выращивания монокристаллов, так и их термообработки, обеспечивают получение бесцветных с улучшенными оптико-спектральными характеристиками монокристаллов PWO. Ниже установленного экспериментально предела концентрации кислорода в монокристаллах PWO появляется интенсивное рассеяние света и они приобретают серо-голубую окраску. Это происходит в результате восстановительных процессов в катионной подрешетке. Выше установленного предела концентрации кислорода монокристаллы окрашиваются в желтый цвет вследствие дополнительного окисления ионов свинца. При этом энергия люминесценции PWO в значительной мере поглощается этими центрами окраски в области 430 нм. Заявляемый способ включает следующие операции: 1. Подбирают среду выращивания монокристаллов. 2. Выращивают монокристаллы в кислородсодержащей среде. 3. Производят охлаждение монокристаллов до комнатной температуры. 4. Выращенные монокристаллы подвергают термообработке. Пример. Тигель с наплавом шихты (монокристаллов) вольфрамата свинца помещают в кристаллизационный узел установки "Кристалл-3М". Вольфрамат свинца расплавляют в платиновом тигле диаметром 100 мм при повышенном (на 0,2-0,3 атм) давлении среды, содержащей N2+O2 (0,02-0,3%) и вытягивают монокристалл со скоростью 5 мм/час, при вращении 35 об/мин контролируя и регулируя при необходимости содержание кислорода в среде выращивания. Выращенный бесцветный монокристалл PWO диаметром 35 мм и длиной 250 м подвергают термообработке. Термообработку монокристалла для снятия остаточных после выращивания термоупругих напряжений проводят при повышенном (на 0,2-0,25 атм) давлении среды, содержащей N2+O2 (0,001-0,03%) объема при температуре 850°С в течение 10 час, затем извлекают из контейнера и передают для изготовления сцинтиллятора. Были проведены лабораторные испытания заявляемого способа и по прототипу. Выращено и подвергнуто термообработке более 20 монокристаллов PWО. Результаты испытаний приведены для монокристаллов PWО диаметром 35 мм и длиной 220-270 мм. измерения проведены на сцинтилляторах размером 20x20x180 м, изготовленных из испытуемых монокристаллов (табл.1,2). На графике приведены спектры пропускания Τ исследовавшихся сцинтилляторов размером 20x20x180 мм, изготовленных из желтого-1 (прототип), серо-голубого-2 (прототип) и бесцветного-3 (по заявляемому способу) монокристаллов PWO. Для окрашенных монокристаллов в целом отмечено ухудшение оптикоспектральных характеристик присутствует либо полоса поглощения в области 420 нм (кривая 1), либо общее уменьшение прозрачности в диапазоне 420-550 нм (кривая 2), в то время как для неокрашенных (бесцветных) монокристаллов отсутствует поглощение в спектре пропускания, а прозрачность увеличивается до 80% (кривая 3), что существенно улучшает качество монокристаллов PWО и позволяет их использование для исследований в физике высоких энергий. Необходимо также отметить, что в прототипе лучшие результаты были получены при выращивании монокристаллов из иридиевых тиглей, тогда как по заявляемому способу их выращивают из платиновых тиглей, а учитывая тот факт, что стоимость тиглей из иридия гораздо выше, чем из платины (в силу де фицита иридия в Украине и больших материальных затрат при изготовлении иридиевых тиглей), то монокристаллы PW0, выращиваемые по заявляемому способу, гораздо дешевле, чем по прототипу.