СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА Российский патент 2003 года по МПК C30B33/02 C30B29/32 C30B15/04 

Описание патента на изобретение RU2202011C1

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов вольфрамата свинца, и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов, применяемых в детекторах ионизирующих излучений и частиц высоких энергий, к которым предъявляется требование повышенной точности и воспроизводимости показаний в условиях высоких и меняющихся дозовых нагрузок.

Известен способ получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца [1] методом Чохральского путем вытягивания на кристаллическую затравку из расплава шихты в виде смеси оксидов свинца (РbO) и вольфрама (WO3) при атмосферном давлении в воздушной среде или в смеси воздуха с аргоном. Однако эти кристаллы обладают малым выходом света сцинтилляций (4-6 фотоэлектронов/МэВ), значительным оптическим поглощением в области 350-500 нм и низкой радиационной стойкостью при воздействии ионизирующего излучения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца [2], включающий вытягивание по методу Чохральского из расплава на кристаллическую затравку. В качестве исходной шихты применяют смесь оксидов свинца (РbО или Рb2O3) и вольфрама (WO3), которая может содержать добавки оксидов легирующих элементов. В качестве атмосферы выращивания применяют смесь газов азота или аргона с кислородом.

Полученные по этому способу кристаллы PbWO4 обладают недостатком, а именно низкой радиационной стойкостью при воздействии малых доз (менее 100 крад) ионизирующего излучения. Следствием этого является снижение оптической прозрачности кристалла в области длин волн, где лежит спектр излучения света сцинтилляций PbWO4. Возрастание поглощения собственного светового излучения приводит к снижению светового выхода и соответственно электрического сигнала на выходе фотоприемника регистрирующей системы.

Техническая задача, которую решает настоящее изобретение, заключается в повышении радиационной стойкости сцинтилляционных монокристаллов PbWO4 к ионизирующим излучениям с целью расширения области их применения.

Для достижения указанного технического результата в способе получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца, включающем вытягивание монокристаллов из расплава, содержащего оксиды свинца и вольфрама в присутствие добавок легирующих элементов в газовой среде осуществляют последующий отжиг выращенных монокристаллов в атмосфере чистого инертного газа при его давлении 0,8-1,5 атм и температуре 780-950oС.

Использование операции отжига в инертной к монокристаллу PbWO4 атмосфере, не содержащей кислорода, обусловлено следующим. Концентрация и стабильность радиационно-индуцированных центров оптического поглощения зависят от концентрации ловушек для электронов и дырок, а также от степени заполнения ловушек этими носителями заряда. По окончании процесса роста большая часть дырочных и электронных ловушек в монокристалле свободна. При воздействии ионизирующего излучения эти ловушки захватывают и стабильно локализуют освобождаемые в результате ионизационных процессов электроны и дырки, что приводит к интенсивному образованию центров оптического поглощения. Это определяет низкую радиационную стойкость монокристаллов. Явление захвата и соответственно образования этого типа центров радиационно-индуцированного поглощения будет отсутствовать, если исходные ловушки перед облучением окажутся заполненными, что требует создания в монокристалле избытка квазисвободных носителей заряда. Достижение этого эффекта обеспечивает отжиг монокристалла в атмосфере инертного газа в отсутствие кислорода. Вследствие повышенной подвижности кислорода в кристаллической решетке PbWO4 часть атомов кислорода покидает свои узлы и диффундирует из монокристалла. Каждый из таких атомов кислорода оставляет два неспаренных квазисвободных электрона, которые, мигрируя по кристаллу, захватываются ловушками с положительными эффективными зарядами, переводя их в состояние, неактивное для захвата и стабилизации носителей, освобождаемых при облучении кристалла. Это устраняет возможность образования на основных исходных дефектах монокристалла центров радиационно-индуцированного оптического поглощения и тем самым обеспечивает повышение его радиационной стойкости.

При облучении неотожженного монокристалла PbWO4 уже на начальном этапе при дозах 0,5-1,5 крад происходит скачкообразное увеличение коэффициента радиационно-индуцированного оптического поглощения μr, переходящее при последующем наборе дозы в возрастание по нелинейному с изменяющимися параметрами закону (фиг.1-3). Монокристаллы обладают низкой радиационной стойкостью.

При облучении монокристаллов PbWO4, отожженных в не содержащей кислорода атмосфере инертного газа, например аргона, начальный скачок радиационно-индуцированного поглощения отсутствует (фиг.4-6). Возникновение поглощения происходит при дозах не менее 5 крад, а его возрастание идет по линейному закону. Такие монокристаллы обладают повышенной радиационной стойкостью.

Диффузия кислорода в объеме кристаллической решетки PbWO4, незначительная при низких температурах отжига, интенсифицируется в интервале температур вблизи температуры обратимого структурного перехода α⇐⇒β PbWO4, происходящего при 870oС. Экспериментально установлено, что оптимальный температурный интервал отжига лежит между 780 и 950oС. Для данного температурного интервала оптимальный диапазон давлений инертного газа, окружающего монокристалл, составляет 0,8-1,5 атм. Именно при этих условиях отжига образование центров оптического поглощения при облучении монокристаллов будет незначительным, что обеспечит придание сцинтилляционным монокристаллам PbWO4 повышенной радиационной стойкости. Уменьшение давления газа при отжиге ниже 0,8 атм вызывает повышенное испарение вещества монокристалла, следствием чего является термическое травление поверхности и образование в объеме вакансионной разупорядоченности по всем его химическим компонентам, что снижает качество монокристаллов. Увеличение давления свыше 1,5 атм снижает скорость диффузионного обмена кислородом на границе между монокристаллом и окружающей газовой средой и тем самым уменьшает интенсивность процесса нейтрализации электронных ловушек в PbWO4. Достигаемое в этом случае незначительное повышение радиационной стойкости монокристаллов не имеет практического значения и экономически неэффективно.

Контроль радиационной стойкости сцинтилляционных монокристаллов PbWO4 осуществляют по их оптическому пропусканию, измеряемому непосредственно в процессе набора монокристаллом дозы гамма-облучения. Для измерений изготавливают монокристаллические элементы с двумя плоскопараллельными гранями, полированными по оптическому классу. Используют методику измерения пропускания на определенных длинах волн спектрального диапазона. Регистрирующая система в графической форме записывает возрастание коэффициента радиационно-индуцированного оптического поглощения (μr, см-1) относительно значения коэффициента поглощения до воздействия гамма-излучения на монокристалл (нуль шкалы). Облучение проводят от источника гамма-квантов 60Со с энергией 1,22 МэВ и постоянной скоростью набора дозы 300 рад/ч до максимального значения 100 крад.

На графических материалах представлены зависимости коэффициента радиационно-индуцированного оптического поглощения не отожженных монокристаллов PbWO4 на длинах волн 380 нм (фиг.1), 470 нм (фиг.2), 535 нм (фиг.3) при воздействии доз гамма-облучения до 100 крад и зависимости коэффициента радиационно-индуцированного оптического поглощения отожженных монокристаллов PbWO4 на длинах волн 380 нм (фиг.4), 470 нм (фиг.5), 535 нм (фиг.6) при воздействии доз гамма-облучения до 100 крад.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Монористаллы PbWO4 выращивают методом Чохральского вытягиванием из расплава, содержащего оксиды свинца и вольфрама в присутствие легирующей добавки лантана, в газовой среде азота с добавкой 0,1 об.% кислорода. После чего выращенные монокристаллы подвергают отжигу в атмосфере аргона чистотой 99,999% при его давлении в камере отжига (0,8-1,5) атм и температуре (780-950)oС. Длительность процесса отжига 24 ч. Затем в атмосфере аргона монокристаллы охлаждают до комнатной температуры и извлекают из камеры. Из полученных монокристаллов изготавливают кристаллические элементы с двумя плоскопараллельными гранями, полированными по классу Rz 0,025 и расстоянием между ними 22 мм. На кристаллических элементах контролируют радиационную стойкость по изменению их оптического поглощения в процессе воздействия ионизирующего излучения. Контроль проводят на длинах волн 380 нм (фиг.4), 470 нм (фиг.5) и 535 нм (фиг.6) с использованием источника гамма-излучения 60Со и скоростью набора дозы 300 рад/ч до максимальной дозы 100 крад. Достигнутый в результате отжига положительный эффект повышения радиационной стойкости монокристаллов был выражен в том, что воздействие дозы облучения до 5 крад не вызвало появление радиационно-индуцированного оптического поглощения, а в диапазоне доз 10-100 крад коэффициент радиационно-индуцированного оптического поглощения возрастал по линейному закону от 0,1•μнеотожr

до 0,5•μнеотожr
, где μнеотожr
коэффициент радиационно-индуцированного оптического поглощения неотожженных монокристаллов (фиг.4-6).

Результаты опытов сведены в таблицу.

В результате получен сцинтилляционный монокристалла вольфрамата свинца PbWO4, обладающий повышенной радиационной стойкостью относительно материала, описанного в прототипе. Данный сцинтилляционный монокристалл может найти применение в устройствах физики высоких энергий, например, в детекторах электромагнитных калориметров ускорителей частиц высоких энергий. В этом случае повышенная радиационная стойкость монокристалла обеспечит возможность использования изготовленных из него кристаллических элементов в наиболее радиационно нагруженных зонах вблизи оси электромагнитного ливня, а линейный характер закона изменения оптической прозрачности монокристалла от дозы облучения существенно упростит мониторирование отдельных кристаллических элементов и всего детектора в целом.

Источники информации
1. Belov M. V. Devitsin E.G., Kozlov V.A., Nefedov V.A., Popov L.S., Potashov S. Y, Zadneprovsky B. I. Characteristics of scintillating PbWО4 crystals produced at different growing conditions. Preprint FIAN, 29, Moscow (1995) 26 p.

2. Патент России 2132417 C 30 B 29/32, 15/04, приор. 22.01.98, опубл. 27.06.99.

Похожие патенты RU2202011C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МОНОКРИСТАЛЛА ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 1998
  • Анненков А.Н.
  • Коржик М.В.
  • Костылев В.Л.
  • Лигун В.Д.
RU2132417C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МОНОКРИСТАЛЛА ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 2000
  • Аненков А.Н.
  • Коржик Михаил Васильевич
  • Костылев В.Л.
  • Лигун В.Д.
RU2164562C1
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ 1991
  • Нефедов В.А.
  • Заднепровский Б.И.
  • Нефедов П.В.
  • Коржик М.В.
  • Суворов В.М.
RU2031987C1
СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КВАРЦА 2001
  • Дороговин Б.А.
  • Хаджи В.Е.
  • Гордиенко Л.А.
  • Шванский П.П.
  • Белименко Ф.А.
RU2180368C1
МОНОКРИСТАЛЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКОВ В УСТРОЙСТВАХ НА ПОВЕРХНОСТНО-АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2000
  • Дороговин Б.А.
  • Степанов С.Ю.
  • Цеглеев А.А.
  • Дубовский А.Б.
  • Филиппов И.М.
  • Курочкин В.И.
  • Лаптева Г.А.
  • Горохов В.П.
  • Степанова Т.А.
RU2172362C2
Способ получения чистого вольфрамата свинца в ионных расплавах 2016
  • Кочкаров Жамал Ахматович
  • Сокурова Залина Аслановна
RU2629292C1
ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ КРУПНОРАЗМЕРНЫХ КРИСТАЛЛОВ ОРТОФОСФАТОВ АЛЮМИНИЯ ИЛИ ГАЛЛИЯ 2000
  • Мотчаный А.И.
  • Шванский П.П.
  • Дороговин Б.А.
RU2186884C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ОПТИЧЕСКОГО КАЛЬЦИТА 2001
  • Нефедова И.В.
  • Бородин В.Л.
  • Лютин В.И.
  • Шванский П.П.
  • Дороговин Б.А.
RU2194806C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛЮМИНАТА ЛИТИЯ 2003
  • Дороговин Б.А.
  • Цеглеев А.А.
  • Лаптева Г.А.
  • Дубовский А.Б.
  • Филиппов И.М.
RU2245402C2
СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ ПО РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ И НАДЕЖНОСТИ 2003
  • Анашин В.С.
  • Попов В.Д.
RU2254587C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 202 011 C1

Реферат патента 2003 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА

Изобретение относится к способам получения кристаллов, а именно к способу получения монокристаллов вольфрамата свинца, и может быть использовано при изготовлении сцинтилляционных элементов. Сущность изобретения: способ включает вытягивание монокристаллов из расплава, содержащего оксиды свинца и вольфрама в присутствии добавок легирующих элементов, в газовой среде с последующим отжигом выращенных монокристаллов в атмосфере чистого инертного газа при давлении 0,8-1,5 атм и температуре 780-950oС. Изобретение позволяет повысить радиационную стойкость сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца PbWO4 к ионизирующим излучениям для расширения области их применения. 6 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 202 011 C1

Способ получения сцинтилляционных монокристаллов вольфрамата свинца, включающий вытягивание монокристаллов из расплава, содержащего оксиды свинца и вольфрама в присутствие добавок легирующих элементов, в газовой среде, отличающийся тем, что проводят последующий отжиг выращенных монокристаллов в атмосфере чистого инертного газа при давлении 0,8-1,5 атм. и температуре 780-950oС.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2003 года RU2202011C1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МОНОКРИСТАЛЛА ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 1998
  • Анненков А.Н.
  • Коржик М.В.
  • Костылев В.Л.
  • Лигун В.Д.
RU2132417C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МОНОКРИСТАЛЛА ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА 2000
  • Аненков А.Н.
  • Коржик Михаил Васильевич
  • Костылев В.Л.
  • Лигун В.Д.
RU2164562C1
JP 9278594 А, 28.10.1997
Газодинамическое уплотнение электродного отверстия дуговой печи 1983
  • Тулуевский Юрий Николаевич
  • Киселев Анатолий Данилович
  • Зинуров Ильяз Юнусович
  • Комаров Павел Николаевич
  • Устюгов Анатолий Александрович
  • Соколевских Станислав Фролович
  • Селлер Ольга Ивановна
SU1125787A1

RU 2 202 011 C1

Авторы

Девицин Е.Г.

Заднепровский Б.И.

Козлов В.А.

Нефёдов В.А.

Полянский Е.В.

Поташов С.Ю.

Теркулов А.Р.

Даты

2003-04-10Публикация

2002-04-24Подача