Спосіб термообробки кристалів вольфрамату кадмію

Изобретение относится к области получения кристаллов и может быть использовано при промышленном производстве кристаллов вольфрамата кадмия CdWO4(CWO), предназначенных для регистрации и спектрометрии гамма-квантов и других элементарных частиц. Эти кристаллы с успехом применяются в компьютерной томографии и ядерном приборостроении и имеют ряд преимуществ по сравнению с другими сцинтилляционными кристаллами (например, NaJ(TI), CsJ(Na) германатом висмута (Bi4Ge3O12(BGO). Наиболее близким является способ термообработки кристаллов вольфрамата кадмия, согласно которому кристаллы вольфрамата кадмия CWO нагревают в вакууме со скоростью 50-100 град/час при непрерывной откачке до 380-450°С с последующей выдержкой в течение 2-5 часов, затем откачку прекращают, вводят кислородсодержащую атмосферу, продолжают нагрев с той же скоростью до 640-950°С и выдержкой в течение 10-25 часов, а охлаждение проводят со скоростью 30-50 град/час. Для "желто-зеленых" кристаллов CW0 достигают относительного увеличения светового выхода на ~1530%, улучшается также и энергетическое разрешение. Но для "синих" кристаллов CW0 этот способ не эффективен (улучшение характеристик невелико), что и является его недостатком. Задачей изобретения является разработка способа термообработки кристаллов вольфрамата кадмия, обеспечивающего улучшение сцинтилляцинных параметров кристаллов CW0 и увеличение выхода годных. Решение задачи обеспечивается тем, что в способе термообработки кристаллов вольфрамата кадмия, включающем нагрев, выдержку и охлаждение, согласно изобретению, нагрев осуществляют в кислородсодержащей атмосфере до температуры 950-1230°С и выдерживают в течение 25-75 час. Температурно-временная диаграмма способа приведена на фиг.1. Заштрихованная область показывает диапазон режимов, обеспечивающих улучшение характеристик "синих" кристаллов CW0. Примеры режимов данного способа и прототипа и достигаемого эффекта приведены в таблице. На фиг.2 изображены спектры пропускания Τ исследовавшихся сцинтилляторов размером 10x10x2 мм, вырезанных из бесцветного 1, "голубого" 2 и "синего" 3 кристаллов CWO, а также 4 - для сцинтиллятора 3, прошедшего термообработку по заявляемому способу. Для образца 1 приведен фактический (базовый) спектр пропускания Ті(l), для остальных (для наглядности) - разностный спектр DΤi(l) = Ті(l) - Ті(l). На фиг.3 изображены спектры радиолюминесценции этих же самых сцинтилляторов с теми же обозначениями 1-4. Измерения проводились на приборе КСВУ-23. Пределы скорости нагрева и охлаждения выбраны максимальными с точки зрения обеспечения минимальной длительности технологического процесса, но при этом обеспечивающие отсутствие растрескивания и закалки кристаллов, что важно для последующей оптико-механической обработки и высокого выхода годных к практическому использованию кристаллов. Поэтому кристаллам большего диаметра соответствуют меньшие скорости изменения температуры, так как возникающие при изменении температуры термоупругие напряжения пропорциональны квадрату диаметра кристаллы и дои этом не должны превосходить предел прочности кристалла. Нижний предел температуры выдержки 950°С обусловлен началом проявления положительного эффекта (см. табл.) и свидетельствует более высокой энергии активации разрушения "синих" центров окраски по сравнению с "желтыми" и "зелеными". Верхний предел 1230°С обусловлен проявлением начала сильного термического травления (возгонки), сопровождаемого потерей материала кристалла и загрязнением осаждающимися парами технологической оснастки и оборудования, а также появлением дополнительной экологической опасности для обслуживающего персонала и среды обитания в результате появляющегося тогда выброса паров кадмия в атмосферу (соединения кадмия относятся к веществам 1 класса опасности). Выход за пределы заявляемого температурного диапазона приводит либо к исчезновению положительного эффекта (в сторону низких температур), либо к термическому разрушению и даже расплавлению кристалла. Большей температуре и меньшим размерам кристаллов соответствует меньшее время выдержки. Однако для реальных кристаллов CWO 0 35-50x100-150 мм оно не может быть менее 25 часов, что связано с диффузионным процессом разрушения "синих" центров окраски в кислородсодержащей атмосфере, начинающимся от поверхности кристалла. При временах менее 25 часов устранение синей окраски не обеспечивается. Увеличивать длительность выдержки более 75 часов нецелесообразно, так как дальнейшая выдержка ведет лишь к неоправданному увеличению длительности технологического процесса. Улучшение сцинтилляционных параметров (увеличение светового выхода С и уменьшение величины энергетического разрушения R) и повышение прозрачности кристалла CWO, и на этой основе увеличение выхода годных, достигается благодаря происходящему при высокой температуре в кислородсодержащей атмосфере диффузии кислорода в кристалл по анионным вакансиям и их заполнению и ликвидации таким образом "синих" центров окраски, связанных с особенностями формирования кристаллической, решетки CW0 при тепловых условиях, обеспечивающих рост крупногабаритных (035-50x100-180 мм) кристаллов CW0 без макродефектов (включений). Ликвидация центров окраски приводит к существенному уменьшению (см. табл. и фиг.2) поглощения собственной радиолюминесце-ции (фиг.3) кристаллов и, как следствие, к увеличению технического светового выхода и улучшению энергетического разрешения. Пример осуществления способа. Кристаллы вольфрамата кадмия 045x120 мм с синей окраской (или сцинтилляторы из них) помещают в корундовый капсель с крышкой (контейнер) и загружают в печь. Включают печь и нагревают кристаллы со скоростью 100 град/час до температуры 1100°С. Выдерживают при этой температуре в течение 50 часов. Далее кристаллы охлаждают с скоростью 50 град/час. После охлаждения корундовый контейнер извлекают из печи. После окончательного охлаждения до Τ ~ 30-40°С кристаллы (или сцинтилляторы) извлекают из контейнера и после визуальной оценки качества кристаллы передают на оптико-механическую обработку, а сцинтилляторы - на контроль оптического пропускания, светового выхода и энергетического разрешения. Характерные результаты испытаний приведены, например, для сцинтилляторов .10x10x2 мм и кристаллов 040-50x100-180 мм. Для "синих" кристаллов в абсолютном значении световой выход С увеличивается на 10-17%, энергетическое разрешение R также улучшается на 10-17%. Коэффициент поглощения оптического излучения на длине волны максимума радиолюминесценции l ~480 нм уменьшается с ~ 0,25 см-1 до ~0,01 см1 . Относительное улучшение составило 30-50% для светового выхода, 40-60% для энергетического разрешения и в 15-25 раз для коэффициента поглощения относительно этих величин для неотожженных сцинтилляторов. Уровень значений светового выхода С и энергетического разрешения R, определяющих годность кристалла, зависит от его размера и определяется его применимостью в приборах ядерного приборостроения (сцинтилляционных детекторах) различного назначения. С учетом этого анализ результатов показал, что применение данного способа термообработки позволило увеличить выход годных кристаллов (сцинтилляторов) в 1,5-2 раза.