Середовище для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину

Середовище для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину на основі інертних газів з вмістом кисню, яке відрізняється тим, що містить 2,5-3 об. % кисню і 97-97,5 об. % суміші інертних газів аргону та гелію, причому аргон і гелій беруть у співвідношенні 13:1. (19) (21) a200814700 (22) 22.12.2008 (24) 11.01.2010 (46) 11.01.2010, Бюл.№ 1, 2010 р. (72) ГАЛЕНІН ЄВГЕН ПЕТРОВИЧ, ГЕРАСИМОВ ЯРОСЛАВ ВІТАЛІЙОВИЧ, НАГОРНЯК ВОЛОДИМИР ТЕОДОРОВИЧ, ТКАЧЕНКО СЕРГІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ, КУДІН КОСТЯНТИН ОЛЕКСАНДРОВИЧ, СОФРОНОВ ДМИТРО СЕМЕНОВИЧ (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАН УКРАЇНИ (56) SU 1603844 A1, 23.11.1992 3 89334 кристалізації розплаву, що залишився після росту, у тиглі деформують тигель, що зменшує строк його служби. Проблема підвищення виходу якісних монокристалів і збільшення терміну служби тиглів у відомих джерелах вирішується за рахунок оптимізації режимів вирощування. Відоме кисневе середовище для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину [К. Takagi, Т. Fukagawa, Effect of growth conditions on the shape of Bi4Ge3O12 single crystals and on melt flow patterns, J. Cr. Growth 76 (1986) p. 328-338]. Застосоване кисневе середовище також не виключає захоплення газових включень кисню кристалічною булею з розплаву на границі кристал-розплав. У результаті вирощені кристали не завжди мають високі сцинтиляційні показники (див. таблицю). Відоме середовище для вирощування монокристалів лютецій-ітрієвого алюмінату [патент РФ №2233916, C30В 15/04] на основі інертних газів азоту й/або аргону із вмістом кисню в межах від 10 6 до 1 об'ємних відсотків. Монокристали германату вісмуту, вирощені з використанням такого середовища, мають фарбування й включення сторонніх фаз, тому що заявлений вміст кисню приводить до переважного випару оксиду вісмуту і зміщенню стехіометрії в розплаві. Як прототип обраний останній з наведених аналогів. В основу винаходу поставлено задачу розробки середовища для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину, яке забезпечує високі сцинтиляційні характеристики вирощуваних монокристалів, виключає розчинення компонентів середовища в розплаві та захоплення газових включень кристалічною булею при вирощуванні і, відповідно, збільшує термін служби платинових тиглів. Рішення поставленого завдання забезпечується тим, що середовище для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину на основі інертних газів з вмістом кисню, відповідно до винаходу, містить 2,5-3 об. % кисню та 97-97,5 об. % суміші інертних газів аргону і гелію, причому аргон і гелій беруть у співвідношенні 4 13:1. У ході досліджень було розроблено оптимальне співвідношення компонентів газового середовища для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину. Вміст кисню (2,5-3 об. %), що заявляється, у складі газового середовища забезпечує відсутність газових включень кисню у вирощуваних монокристалах. Було встановлено, що вміст кисню в складі газового середовища менш 2,5 об. % приводить до значного випарювання оксиду вісмуту з розплаву та появі нестехіометричних включень у кристалах. Вміст кисню в складі газового середовища більше 3 об. % приводить до появи газових включень у вирощуваних кристалах. Як показали експериментальні дані, співвідношення інертних газів аргону й гелію в складі газового середовища, рівне 13:1, забезпечує оптимальну теплопровідність середовища (близьку до теплопровідності повітря) для вирощування якісних монокристалів германату вісмуту. Збільшення вмісту гелію в складі газового середовища приводить до збільшення температурних градієнтів і, як наслідок, збільшенню термічних напружень у кристалі, зменшення вмісту гелію - до зниження температурних градієнтів і перекручуванню форми кристала. Інертні гази аргон і гелій не розчиняються в розплаві і не викликають утворення газових включень у вирощуваних монокристалах. Отже, запобігають деформації тиглів, пов'язаної з виникненням тиску в об'ємі розплаву при його кристалізації. На Фіг.1 наведено фото монокристалу германату вісмуту зі структурою евлітину, вирощеного в повітряному середовищі (на фото показане розсіювання світла на газових включеннях). На Фіг.2 наведено фото монокристалу германату вісмуту зі структурою евлітину, вирощеного в середовищі за прототипом. На Фіг.3 наведено фото монокристалу германату вісмуту зі структурою евлітину, вирощеного в середовищі, що заявляється (на фото показане розсіювання світла на газових включеннях). У таблиці наведені сцинтиляційні характеристики монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину, що вирощені в різних газових середовищах. Таблиця Світловий вихід, від.од. Кисневе середовище (за другим аналогом) Повітряне середовище (за пат. №16679) Середовище, що заявляється Амплітудний дозвіл, % Брак, % 0.8 10-13 40-55 0.8 10-13 30-50 1 9.5-10.5 Не більше 5 Вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину з використанням газового середовища, що заявляється, здійснюють у такий спосіб. Приклад 1. Вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину класичним методом Чохральського. Сировина для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину (суміш оксиду вісмуту і оксиду германія в молярному співвідношенні 2:3 відповідно або попередньо приготовлена шихта, або бій кристалів германату вісмуту) масою 6000г завантажують у платиновий тигель розмірами 96x130мм. Встановлюють ти 5 гель із сировиною в установку для вирощування монокристалів, герметично закривають камеру установки і відкачують повітря до вакууму (не бі-2 льше 10 мм. рт. ст.), після чого проводять напуск камери газовим середовищем, що складається з кисню в кількості 3 об. % і 97 об. % суміші аргону та гелію, взятих у співвідношенні 13:1 відповідно, до тиску 100кПа. Потім нагрівають тигель до температури плавлення сировини (1050 C), доводять температуру розплаву до необхідної для затравлення (1080-1085 C), здійснюють затравлення на затравку, яка обертається, і вирощують кристал необхідного діаметра. Після вирощування кристал відривають від розплаву прискореним (зі швидкістю 250мм/ч) переміщенням штока, проводять поступове (не більше 50град/ч) охолодження кристала до кімнатної температури і витягають кристал з ростовой камери установки. Приклад 2. Вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину EFG методом (модифікованим методом Степанова). Сировина для вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину (суміш оксиду вісмуту й оксиду германію в молярному співвідношенні 2:3 відповідно або попередньо приготовлена шихта, або бій кристалів германату вісмуту) масою 500г завантажують у платиновий тигель розмірами 96x12мм, що має формоутворюючий елемент. Встановлюють тигель із сировиною в установку для вирощування монокристалів, герметично закривають камеру установки і відкачують повітря до вакууму (не більше 10-2мм. рт. ст.), після чого проводять напуск камери газовим середовищем, що складається з кисню в кількості 89334 6 2,9 об. % і 97,1 об. % суміші аргону й гелію, взятих у співвідношенні 13:1 відповідно, до тиску 100кПа. Потім нагрівають тигель до плавлення сировини (1050 C), доводять температуру формоутворюючого елемента тигля до необхідної для затравлення (1050-1055 C), здійснюють затравлення на затравку і вирощують кристал формою, заданою формоутворюючим елементом тигля. Після вирощування кристал відривають від розплаву прискореним (зі швидкістю 250мм/ч) переміщенням штока, проводять поступове (не більше 50град/ч) охолодження кристала до кімнатної температури і витягують кристал з ростовой камери установки. Вирощування монокристалів германату вісмуту зі структурою евлітину в газовому середовищі, що заявляється, за допомогою низькоградиєнтного методу Чохральского та методу БріджменаСтокбаргера здійснюють відповідно до режимів названих методів. Як видно з наведених фігур і даних таблиці, середовище, що заявляється, дозволяє вирощувати монокристали германату вісмуту зі структурою евлітину з високими сцинтиляційними характеристиками та низьким відсотком браку за рахунок відсутності газових включень. Крім того, середовище, що заявляється, дозволяє запобігти деформації тиглів при вирощуванні монокристалів германату вісмуту, пов'язаної з виникненням тиску в об'ємі розплаву при його кристалізації, за рахунок виключення розчинення газів у розплаві, що, у свою чергу, збільшує термін служби платинових тиглів і знижує собівартість вирощуваних монокристалів. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 89334 8 Підписне Тираж 28 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