本发明属于稀土材料深加工领域,具体地说,涉及一种利用全封闭式坩埚制备溴化镧晶体的方法。
背景技术:
掺铈溴化镧晶体(labr3:ce)自1999年被发现后,由于其优异的闪烁性能掀起了研究的热潮。掺铈溴化镧光输出可达78000ph/mev,其衰减时间快达30ns,其密度为5.1g/cm3,对高性能射线的吸收能力明显强于nai:tl晶体,且其环境污染的风险远远小于nai:tl,因此labr3:ce晶体目前已成为光输出高、衰减快闪烁晶体的代表,该晶体有望全面取代nai:tl晶体,从而在医疗仪器、安全检查和油井探测等领域得到广泛使用。但labr3:ce晶体生长困难,组份严重挥发,且非常容易和氧、水反应,晶体非常容易开裂。例如溴化镧沿a轴的热膨胀系数是沿c轴方向的5-6倍,这样在晶体生长和后续的机械切割、抛光过程中极易易开裂和破碎,因此labr3:ce晶体的器件产率很低,大尺寸晶体器件尤为困难,价格也极其昂贵。
对于labr3:ce等卤化物晶体一般采用bridgmanmethod(坩埚下降法)生长。其基本原理是通过坩埚和熔体之间的相对移动,形成一定的温度场,为晶体提供生长驱动力,使晶体生长。即将晶体原料放在坩埚中,通过加热装置使高温区的温度略高于熔体的熔点,低温区的温度略低于晶体的凝固点,然后通过下降装置使坩埚缓慢经过具有一定温度梯度的区域:高温区、温度梯度区和低温区。熔体经过温度梯度区开始生长晶体,随着坩埚不断的下降,晶体持续长大。
采用高温熔融法生长晶体,晶体生长过程中温度梯度十分重要,因为结晶驱动力是由温度梯度造成的局部过冷来提供的,它是晶体生长工艺极为重要的参数之一。通常采用纵向温度梯度和轴向温度梯度来描述温场,径向温度梯度指温度梯度在径向上的变化率。适合的温度梯度有利于控制晶体的外形,在晶体生长过程中可减小热应力,减少出现组分过冷现象,从而较有效的控制各种缺陷的产生。生长高质量的晶体需要有一个合适且稳定的温度分布,即温场。
调整温场的核心是尽量使生长的固液界面形状为平界面。而实际生长过程中平界面的获得及保持都是十分困难的。相比之下,微凸界面的生长界面更有利于晶体生长,因为这有利于抑制缺陷的形成,且有利于杂质从晶体中排除。而若固液界面为凹界面,晶体边缘处首先生长,非常容易形成杂质包裹体,并易将气泡包裹到晶体中,从而诱发缺陷的形成。
常规下降法生长中,溴化镧熔体上部与坩埚内真空层直接接触,由于真空的导热系数(0.006w/m·k)与石英的导热系数(10w/m.k)相差很大,导致温场上下不对称,生长的固液界面多呈凹面型,且晶体边缘缺陷较多,晶体的内应力很大,给加工造成很大的困难。
技术实现要素:
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种新型的利用全封闭式坩埚制备溴化镧晶体的方法。
为了实现本发明目的,本发明提供一种用于生长晶体(特别是用于制备溴化镧晶体)的全封闭式坩埚,所述坩埚的内部空腔设有一片可拆卸的凸面型盖片,所述盖片与所述坩埚的内径适配,且可沿着坩埚内壁上下移动,所述盖片与所述坩埚的底部形成一个全封闭式的腔体(图1)。
本发明所述坩埚、盖片的材质为石英,且石英盖片的厚度与坩埚壁厚一致。所述坩埚呈管状结构,且具有尖端底部。
本发明所述石英盖片的曲率半径(r)见图2。r=(d/2)×sin-1(α/2),其中,d=坩埚内径长度-1mm,15°≤α≤170°。
本发明采用高温熔融法制备溴化镧晶体,利用上述全封闭式坩埚生长晶体,包括以下步骤:
1)选用在高温下不被溴化镧熔解的材料作为籽晶,取适量籽晶放入坩埚底部;
2)将掺铈溴化镧晶体原料加入上述含有籽晶的坩埚内,然后将盖片加盖于原料上部,并用树脂封住坩埚开口端;
3)将封装好的坩埚置于加热炉中,加热熔融,化料完成后保温一段时间,然后逐渐降至室温,即得溴化镧晶体。
其中,步骤2)在充高纯氮气的手套箱内操作。
前述的方法,步骤1)所述籽晶为石英晶体。
前述的方法,步骤2)所述掺铈溴化镧晶体原料由无水溴化镧和无水溴化铈混合而成,其中无水溴化铈的掺杂摩尔比为m,0.0001<m<0.1。
前述的方法,步骤3)具体为:将封装好的坩埚置于加热炉中,以50-100℃/h升温至800℃-850℃(优选800℃),在原料熔化阶段,化料温度不高于石英晶体熔点;化料完成后,保温24h-48h(优选24h),先采用0.3-0.6℃/h(优选0.3℃/h)的降温速率降温,溴化镧铈熔体在籽晶的作用下,使晶体淘汰出往c轴方向生长的籽晶,继续以0.10-0.15℃/h(优选0.15℃/h)的降温速率降至室温。
本发明还提供按照上述方法制备的溴化镧晶体。所述晶体的化学组成为cex:la(1-x)br3,其中x是ce置换la的摩尔比,0.0001<x<0.1。
本发明具有以下优点:
本发明提供的全封闭式坩埚溴化镧晶体生长方法,通过设计一种呈凸面型的石英盖片,与溴化镧石英坩埚构成一种全封闭的生长环境,此种环境隔绝了溴化镧熔体与坩埚上部真空层部分,使熔体四周处于相对平衡的温场环境。另外,通过设计凸面型的石英盖片可以使固液界面呈现微凸界面的形式,有利于晶体内应力的释放。
在晶体成品率上,一方面由于本发明减小了晶体的应力,使得晶体开裂,包络等缺陷得以减小,晶休的成品率得到显著提高。另一方面,坩埚内的温场比已有技术更加稳定,产品的稳定性得到极大提高。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中用于生长晶体的全封闭式坩埚的剖面图;其中,1-石英坩埚,2-石英盖片,3-封口,4-固液界面。
图2为本发明石英盖片的曲率半径示意图。
具体实施方式
采用高温熔融法制备溴化镧晶体,包括:
1、石英盖片的加工。首先加工出与坩埚内径适配的石英块,再将此石英块按不同的曲率半径,加工出不同的凸面盖片。厚度与坩埚壁厚一致。
2、原料的封管。先选用在高温下不被溴化镧熔解的材料做为籽晶比如石英晶体,放入石英坩埚尖端底部。再根据通式cex:la(1-x)br3,选定合适的x,再按相应的摩尔百分比在手套箱(充高纯氮气)中称取所需的超干无水溴化铈,溴化镧原料,均匀混合后装入特制的石英坩埚中。将加工好的石英盖片,置于原料顶端。用石英块堵住石英坩埚管口,然后用环氧树脂封住石英坩埚管口,将装有原料的石英坩埚取出手套箱,利用氢氧焰将石英坩埚的管口熔化封住。
3、晶体生长:封装好的石英管装入生长炉中,使其处于生长炉中间位置,然后将以50-100℃/h升至800℃,在原料熔化阶段,化料温度不高于石英晶体熔点。化料完成后,保温24-48h。采用0.3℃/h的降温速率降温,溴化镧铈熔体在籽晶的作用下,使晶体淘汰出往c轴方向生长的籽晶,继续以0.15℃/h的降温速率降至室温,单晶化完成,晶体生长完毕,最后取出石英坩埚。
4、筛选:根据生长出的晶体,根据晶体质量筛选出最适合的石英盖片,筛选时注意晶体末端是否呈明显凸面形。
下面通过实施例对本发明进行进一步说明。以下实施例中所使用的原料、试剂和仪器均可以通过购买市售产品的方式获得。
在本发明的描述中,除非另有说明,术语“上”、“下”等指示的方位或状态关系仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
以下实施例中用于生长晶体的全封闭式坩埚剖面图见图1。
实施例1利用全封闭式坩埚制备溴化镧晶体的方法
晶体生长坩埚尺寸为φ29×300mm3,内径为25mm,壁厚为2mm,筛选出的石英盖片,直径为φ24mm,曲率半径为17.7mm,厚为2mm。装料时先将石英晶体切割成沿c轴的长条状籽晶,尺寸为3mm×3mm×15mm,c轴方向与长度方向(15mm)平行,放入石英坩埚底部。再将自行合成的无水溴化镧、无水溴化铈混合而成的掺铈溴化镧晶体原料(无水溴化镧298.5克,无水溴化铈1.5克),在充高纯氮气的手套箱内均匀混合后装入石英管(石英坩埚)中,将石英盖片,置于原料顶端,然后用石英盖片堵住石英管口,然后用环氧树脂封住管口,取出手套箱,利用氢氧焰将石英坩埚的管口熔化封住。再将石英坩埚放入晶体生长炉中升温化料,以50-100℃/h升至800℃,8-16h化料完成后,保温24h。然后采用0.3℃/h的降温速率降温,溴化镧铈熔体在籽晶的作用下,使晶体淘汰出往c轴方向生长的籽晶,继续以0.15℃/h的降温速率降至室温,单晶化完成,晶体生长完毕,最后取出石英坩埚。
所得透明单晶尺寸为φ25×50mm3,切割封装成φ25×25mm3的闪烁体,测试该闪烁体与双碱阴极光电倍增管耦合成的闪烁探头,对放射源的光电峰能量分辨率为3.7%。所得晶体的化学组成为cex:la(1-x)br3,x=0.005。
实施例2利用全封闭式坩埚制备溴化镧晶体的方法
晶体生长坩埚尺寸为φ41×350mm3,内径为39mm,壁厚为2mm,筛选出的石英盖片,直径为φ38mm,曲率半径为42mm,厚为2mm。装料时先将石英晶体切割成沿c轴的长条状籽晶,尺寸为3mm×3mm×15mm,c轴方向与长度方向(15mm)平行,放入石英坩埚底部。再将自行合成的无水溴化镧、无水溴化铈混合而成的掺铈溴化镧晶体原料(溴化镧696.5克,溴化铈3.5克),在充高纯氮气的手套箱内均匀混合后装入石英管中,将石英盖片,置于原料顶端,然后用石英盖片堵住石英管口,然后用环氧树脂封住管口,取出手套箱,利用氢氧焰将石英坩埚的管口熔化封住。再将石英坩埚放入晶体生长炉中升温化料,以50-100℃/h升至800℃,8-16h化料完成后,保温24h。然后采用0.3℃/h的降温速率降温,溴化镧铈熔体在籽晶的作用下,使晶体淘汰出往c轴方向生长的籽晶,继续以0.15℃/h的降温速率降至室温,单晶化完成,晶体生长完毕。最后取出石英坩埚。
所得透明单晶尺寸为φ38×76mm3,切割封装成φ38×38mm3的闪烁体,测试该闪烁体与双碱阴极光电倍增管耦合成的闪烁探头,对放射源的光电峰能量分辨率为3.6%。所得晶体的化学组成为cex:la(1-x)br3,x=0.005。
实施例3利用全封闭式坩埚制备溴化镧晶体的方法
晶体生长坩埚尺寸为φ56×400mm3,内径为52mm,壁厚为2mm,筛选出的石英盖片,直径为φ51mm,曲率半径为51mm,厚为2mm。装料时先将石英晶体切割成沿c轴的长条状籽晶,尺寸为3mm×3mm×15mm,c轴方向与长度方向(15mm)平行,放入石英坩埚底部。再将自行合成的无水溴化镧、无水溴化铈混合而成的掺铈溴化镧晶体原料(溴化镧995克,溴化铈5克),在充高纯氮气的手套箱内均匀混合后装入石英管中,将石英盖片,置于原料顶端,然后用石英盖片堵住石英管口,然后用环氧树脂封住管口,取出手套箱,利用氢氧焰将石英坩埚的管口熔化封住。再将石英坩埚放入晶体生长炉中升温化料,以50-100℃/h升至800℃,8-16h化料完成后,保温48h。然后采用0.3℃/h的降温速率降温,溴化镧铈熔体在籽晶的作用下,使晶体淘汰出往c轴方向生长的籽晶,继续以0.15℃/h的降温速率降至室温,单晶化完成,晶体生长完毕。最后取出石英坩埚。
所得透明单晶尺寸为φ52×105mm3,切割封装成φ52×52mm3的闪烁体,测试该闪烁体与双碱阴极光电倍增管耦合成的闪烁探头,对放射源的光电峰能量分辨率为3.6%。所得晶体的化学组成为cex:la(1-x)br3,x=0.005。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而列举的较佳实施例,本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内。