Спосіб нерознімного з’єднування монокристалів оксидів

1. Способ неразъемного соединения монокристаллов оксидов, включающий приведение их в контакт при наличии промежуточной прослойки между ними, нагрев, выдержку и охлаждение, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве прослойки используют прокладку из монокристаллов лейкосапфира, контакт осуществляют с усилием 0,350,45 кг/см , нагрев ведут до температуры на 5-10°С ниже температуры плавления германата висмута со скоростью 350-400°С/час, выдержку осуществляют в течение 1,2-2 час с последующим охлаждением до температуры не выше 400°С со скоростью 200-250°С/час далее до комнатной температуры. 2. Способ по п. 1 , о т л и ч а ю щ и й с я тем, рабочие поверхности кристаллов покрывают оболочкой из лейкосапфира. С > сл Изобретение относится к технологии изготовления сцинтилляторов из монокристаллов германата висмута и может быть использовано в детекторах для регистрации ионизирующих излучений. Германат висмута - один из перспективных сцинтилляционных материалов. Одним из основных условий его использования в качестве детектирующих ячеек электромагнитных калориметров является толщина детектирующего материала, которая должна быть ~20 радиационных длин (І ~ 240-250 мм) с минимальным разбросом оптических и сцинтилляционных параметров (прозрачность сцинтиллятора на длине волны Л • 480 = нм не менее 75%; неоднородность светового выхода < 3 % ; энергетическое разреше ниє в пределах 20-24% при возбуждении гамма-источником Cs). Получение монокристаллов германата висмута необходимых размеров с указанными параметрами является технически очень сложной и трудоемкой задачей. Одним из путей получения кристаллов германата висмута больших размеров может быть способ неразъемного соединения высококачественных составных монокриталлических частей в одно изделие. Следует отметить, что широко известный способ соединения при помощи клеевых к о м п о з и ц и й в данном случае непригоден, так как при данном способе соединения сцинтилляционные параметры готового изделия (неоднородность светового выхода, энергетическое разрешение) резко сл го о 5752 ухудшаются и полученные таким образом кристаллов оксидов, включающем приведесцинтилляторм не могут быть применены в ние их в контакт при наличии промежуточкачестве детектирующих ячеек электромагной прослойки между ними, нагрев, нитных калориметров. выдержку и охлаждение, согласно изобретеИзвестен способ неразъемного соеди- 5 нию, в качестве прослойки используют пронения одного и того же кристалла, содержакладку из монокристаллов лейкосапфира. щего трещину [1], путем зажатия кристалла контакт осуществляют с усилием 0,35-0.45 между двумя параллельно расположенными кг/см , нагрев ведут до температуры на 5металлическими пластинами с усилием сжа10°С ниже температуры плавления германатия направленным перпендикулярно пло- 10 та висмута со скоростью 350-400°С/час, скости толщины, нагрев кристалла и его выдержку осуществляют в течение 1,2-2 изотермическую выдержку. Проходящим час с последующим охлаждением до при этом процессе взаимодиффузии атомов температуры не выше 400°С со скоростью соединяемых плоскостей достигается 200~250°С/час и далее до комнатной темпесплошность среды для успешного осуществ- 15 ратуры. ления способа необходимо полное кристалДля исключения химически-активных и лографическое соответствие между механических воздействий на изделия из соединяемыми частями. монокристаллов германата висмута рабочие Осуществить по указанному выше споповерхности таких изделий защищают обособу соединение монокристаллов одного и 20 лочкой (пластиной) из лейкосапфира в сооттого же кристалла, но полученного из разветствии с указанным способом. личных буль, имеющего сложную кристаллоДля получения неразъемного соединеграфическую решетку, состоящего из ния из кристаллов германата висмута необнескольких элементов с различной упругоходимо в месте соединения создать стью пара, в частности таких как германат 25 расплавленную зону. Нагревом до соответвисмута, практически невозможно, и в наствующей плавлению температуры привестоящее время таких способов не существуденных в контакт кристаллов этого сделать ет. невозможно из-за потери изделием формы. Необходимо учесть, что для высококачестНаиболее близким по технической сущности и выбранным в качестзе прототипа 30 венного (по светопропусканию, механической прочности, неоднородности светового является способ неразъемного соединения выхода, энергетическому разрешению) сомонокристаллов оксидов [2], включающий здания температуры расплава в локальной приведение их в контакт при наличии промезоне должна незначительно отличаться от жуточной поликристаллической прослойки, которую предварительно образуют на каж- 35 температуры плавления германата висмута. Экспериментально установлено, что содой из свариваемых поверхностей толщиставные части из монокристаллов германата ной 1,5-2 мкм, нагрев и сжатие деталей, висмута могут быть качественно соединены, изотермическую выдержку, после которой введением в зону контакта прокладки из мозону соединения перемещают в области нагрева с градиентом температуры 200-400 40 нокристалла лейкосапфира. град/см со скоростью 10-150 мм/час. Как оказалось, оптимальная температуДанный способ неразъемного соединера химического взаимодействия (Т) пары ния обеспечивает достаточную механичегерманат висмута - лейкосапфир на 5...10° скую прочность, однако зона соединения ниже температуры плавления германата практически непрозрачная, что не позволя- 45 висмута (Тпл). При Т Тпл сцинтиллятор. -5°С сравнительно большая толщина лоЗадачей изобретения является разракальной расплавленной зоны не позволяет ботка способа неразъемного соединения 50 сохранить заданную форму изделий. Усилие монокристаллов оксидов, обеспечивающий сжатия менее 0,35 кг/см не обеспечивает получение надежного по механической надежного контакта составных частей прочности, оптически однородного и высоизделия и соответственно его высокой коэффективного по-энергетическому разремеханической прочности и высокого светошению и неоднородности светового выхода 55 пропускания. При усилии сжатия более 0,45 неразъемного соединения составных частей кг/см 2 изделие значительно деформируется кристаллов из германата висмута в изделии из-за диффузионной ползучести. Для уменьбольших размеров. шения взаимодействия германата висмута с конструкционными материалами технологиПоставленная задача решается тем, что ческой оснастки и печи нагрева процесс соа способе неразъемного соединения моно 5752 единения составных частей изделия необходимо проводить в окислительной среде, проще и дешевле - на воздухе. Нагрев кристаллов со скоростью более 400 град/ч вызывает хрупкое разрушение кристаллов 5 германата висмута, а ниже 450 град/ч, не влияя на качество соединения, повышает затраты из-за удлинения времени технологического процесса. Изотермическая выдержка в течение времени менее 1,2 ч не 10 обеспечивает однородного по качеству соединения кристаллов, а при превышении времени выдержки более 2 ч качество соединения не улучшается, а затраты на проведение технологического процесса уве- 15 личиваются. При охлаждении готового изделия со скоростью более 250 град/ч резко повышается вероятность хрупкого разрушения. Охлаждение со скоростью менее 200 град/ч не влияет на качество изделия, но 20 увеличивает затраты на проведение технологического процесса из-за увеличения времени. При выключении печи при температуре выше 400°С наблюдаются случаи хрупкого разрушения кристаллов. При тем- 25 пературе ниже 400°С скорость охлаждения практически всегда меньше 200 град/ч из-за теплофизических параметров печей нагрева и хрупкого разрушения не наблюдается. Дальнейшее инерционное охлаждение при 30 выключенной печи не требует энергетических затрат. Толщина соединяющей пластины из лейкосапфира не имеет решающего значения. Следует лишь руководствоваться тем, что при очень большой толщине ппастины объем сцинтилляционного материала уменьшается, а пластина выполняет функции обычного световода. Минимальная толщина пластины определяется технологическими возможностями их изготовления. Предлагаемый способ может быть использован и для защиты изделий из германата висмута от химически активных и одновременно от механических воздействий путем нанесения покрытий оболочек из лейкосапфира, например на цилиндрические, сферические, плоские изделия, либо только на рабочие поверхности. В таблице приведены примеры неразъємного соединения монокристаллов германата висмута по предлагаемому способу. Способ реализуют следующим образом {режимы приведены в таблице). Предназначенные для соединения кристаЪлические составные части из германата висмута приводят в контакт с усилием (Р) через посредство прокладки из монокристалла лейкосапфира Помещают в печь с возможностью нагрева до 1000°С. В рабо 35 40 45 50 55 чей зоне печи создают заданную среду термообработки. Нагревают печь до температуры Ті • Тпл -п°С. Температуру Ті •=• Т п л -п°С = устанавливают с помощью реперного кристалла из германата висмута, на который опирается контейнер с соединяемыми составными частями кристаллов германата висмута. При расплавлении реперного кристалла (ТПл) контейнер опускается ипе- , реключает бл,ок программы терморегулирования с режима подъема температуры на режим изотермической выдержки. Выдерживают при этой температуре в течение времени'^ е) и со скоростью (V2) уменьшают температуру до (Тг), после чего печь выключают и инерционно охлаждают до комнатной температуры, Остывшее изделие выгружают из печи. Толщина соединительной пластинки из лейкосапфира выбирается обычно от 0,5 до 5 мм. В случае использования пластинки как световода или другого конструкционного элемента, ее толщина может быть увеличена до необходимого для этого случая размера. В соответствии с предлагаемым способом были получены детекторы из германата висмута длиной 250 мм при толщинах соединительных пластин 2 мм. Этим же способом были получены детекторы из германата висмута и других размеров: диаметр до 40 мм, длина 200-300 мм, при толщине соединительных пластин из лейкосапфира от 0,5 до 80 мм, а также соединены цилиндр с кубом. При эксплуатации детектора, например в условиях пустыни при сильных механических воздействий песчаной пыли на поверхность детектора или в условиях загазованных химически-активными веществами рабочая поверхность защищается лейкосапфиром в соответствии с предлагаемым способом. При сравнении результатов неразъемного соединения монокристаллов германата висмута основными показателями являются прозрачность, энергетическое разрешение, неоднородность светового выхода и механическая прочность соединения. Как видно из таблицы оптимальными по основным показателям являются режимы, описанные в примерах 2, 3, 5, 6, 8, 9, 10, 13, 14, 17-22, 24, 25. Однако выполнение режимов, описанных в примерах 5, 8, 19, 20 требует увеличения затрат на 12...83%, что экономически нецелесообразно. Таким образом, режимы, ограниченные пределами, оговоренными в предлагаемом способе, обеспечивают надежное по механической прочности, оптически однородное и высоко эффективное по энергетическому 8 5752 разрешению и неоднородности светового выхода неразъемное соединение составных частей кристаллов из германата висмута в изделие больших размеров. В качестве исходных образцов использовались монокристаллы германата висмута длиной 100-120 м и диаметром до 40 мм. Ra - энергетическое разрешение кристаллов до соединения в изделие; 10 Rao - энергетическое разрешение изделия (измерения проводились с помощью радионуклида Cs); г - прозрачность исходных образцов; Го" прозрачность изделий; Л С - неоднородность светового выхода в исходных образцах; Д Со - неоднородность светового выхода .в изделие. Примеры неразъемного соединения монокристаллов оксидов по предлагаемому способу Р Среда п/п 1 0.25 воздух Ті. °С ч 375 В 1.75 Тз. Ra I ч С Тїа7 То 225 ї гр ч г/см 2 225 Vj ip : Л С Примечание Оптически неодно t родное, не прочное соединение 3 0.35 -• 375 В 1.75 225 225 0.93 0.95 1.010 3 0.40 -- 375 В 1.75 225 325 0.93 0.94 1.00В 4 0 45 375 8 U5 225 225 091 О.90 1.008 S 0.55 375 б 1.75 225 225 """ - • Изделие сильно деформировано в 0.40 70%Ач+ 375 8 1.75 235 225 0.90 0,90 1.015 7 0.40 воздух 375 В 1.75 22S 225 0.93 0.92 1.0О9 в 0 40 вакуум 375 В 1.75 225 225 • 11. Ив Увеличение затрат 1 Разложение гермамата висмута 9 10 0.40 воздух 300 В 1 75 225 225 0.89 0.87 1.012 0.40 -- 350 а 1.75 225 225 0,94 0.95 1.006 И 0 40 -- 373 8 1.75 225 225 0.93 0.94 1.007 13 0.40 - • 400 8 1.75 225 225 0,90 0,93 1.010 ІЗ 0.40 450 6 1.75 225 225 •оздуя Хрупкое разрушение кристаллов 14 0 40 _-_ 375 2 1.75 225 225 Не сохраняется заданна» Форма «и дни пвдпчавлений 15 040 _-_ 375 5 1 75 225 225 0.93 0.94 1.008 16 0 4в -' 375 В 1 75 225 225 0 93 0.95 1.009 17 0.40 -'^ 375 10 1 75 226 225 095 0.95 1.01В IB 0.40 -- 375 15 1.75 225 225 Оптически неоднородное не Прочное соединение 19 0.40 -- 375 а 1.0 225 225 Оптически неоднородное соединение 23 0.40 -- 375 в 1.2 •т 225 0.92 0.91 1.01S 0.40 20. - • 375 в 1.75 225 225 0.94 0.93 1.011 " 375 8 20 225 225 0,94 0.93 1.009 0.40 5752 bit* P п/п «г/см 23 0 40 rp ч -- т. °С ч rp ч 375 Сред» 1 8 2.5 225 V, г г °С Ra He 0 325 0.90 0,В9 Ті лс 1 ЛС 1013 Уіепі'чвии* мтрві Ні 16% 24 0 40 _•_ 375 В 150 175 325 091 0 89 1019 Увеличения затраї «13% 25 0 40 _-. 26 0 40 -- 27 0 40 26 040 29 В 6 8 175 200 325 0.93 0 94 1 75 225 Ї25 0 93 0.94 1008 -" 375 375 375 175 250 325 0 93 0.90 1011 _- 375 8 1 75 300 325 0.76 0.72 1.038 0 40 _-_ 0.40 375 375 8 8 1 75 ЗО -• 31 0 40 _-. 375 8 175 V75 1007 225 • 200 0.90 0.92 1.014 225 350 0.93 0.93 1,017 300 0.82 0,80 1.044 40% иэдвлмй хрупко раїрушани 225 20% изделий жруiiit о разрушены Упорядник Л.Литвинов Замовлення 622 Техред М.Моргентал Коректор Н.Король Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655. ГСП. Київ-53, Львівська пл.. В Виробничо-видавничий комбінат "Патент", м, Ужгород, вул.ГзгарІна, 101