一種非真空下降法生長氟化鈰晶體的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種在非真空條件下利用坩堝下降法生長CeF3晶體的方法，屬于人工 晶體生長技術領域。
【背景技術】
[0002] 上世紀90年代初，CeF3晶體因其密度高、響應速度快的優良閃爍性能獲得了廣泛 關注，曾是西歐核子中心（CERN)大型強子對撞機（LHC)所用探測器的主要候選材料之一。 但是由于其生長可重復性差以及成本高等問題，1995年CERN最終放棄了 CeF3晶體而選擇 了鎢酸鉛（PbWO4)晶體作為緊湊型μ子線圈（CMS)探測器的核心材料，CeF3晶體僅作為CMS 的基底材料。
[0003] 隨著LHC的運行，PbWO4晶體中的Pb和W元素，由于原子序數Z均大于71，高能質 子和介子能夠對晶體透過率造成永久性的、累加的降低，最終影響其性能和使用。而CeF3晶 體中Ce和F的原子序數Z均小于71，不但沒有累加的輻照損傷，而且還具有輻照損傷恢復 能力。CeF3晶體是目前綜合性能最佳的電磁量能材料之一，被認為是可用于高能物理領域 下一代電磁量能器最有前途的閃爍體材料。系統地研究Y光子、中子、質子、介子等粒子對 CeF3晶體的影響以及LHC的升級（Super LHC)均需要大量的優質CeF3晶體樣品。但由于 CeF3極易被氧化，因而目前的生長技術，無論是下降法或提拉法，通常采用高真空或者密閉 裝置中保護氣氛等條件，投入大、效率低、成本高，難以實現大規模工業化生產，是制約CeF3晶體發展與應用的主要障礙。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種非真空下降法生長氟化鈰晶體的方法，以解決現有技 術中存在的上述問題。
[0005] 為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下：
[0006] -種非真空下降法生長氟化鈰晶體的方法，包括如下步驟：
[0007] a)使氟化鈰粉體與聚四氟乙烯粉體按質量比為100: (1~5)混勻；
[0008] b)將步驟a)得到的混合粉體進行真空干燥；
[0009] C)將步驟b)得到的干燥混合粉體裝入坩堝中，在非真空條件下，以0. 5~1. 5毫 米/小時的下降速度進行晶體生長。
[0010] 作為優選方案，步驟a)是在室溫下、相對濕度< 20%的環境中進行。
[0011] 作為優選方案，所述氟化鈰粉體的純度> 99. 9%。
[0012] 作為優選方案，步驟b)所述的真空干燥是指在150~350°C干燥1~5小時。
[0013] 作為優選方案，步驟c)所述的坩堝具有擴晶錐度。
[0014] 作為優選方案，步驟c)所述的晶體生長包括如下操作：先將坩堝加熱到1450~ 1490°C，保溫使坩堝內原料充分熔化，然后以0. 5~1. 5毫米/小時的下降速度、30~60°C / 厘米的溫度梯度進行晶體生長；生長完成后，以20~40°C /小時的速率降至室溫。
[0015] 作為進一步優選方案，進行晶體生長時的溫度梯度為30~60°C /厘米。
[0016] 本發明人認為本發明可能存在的反應機理如下：
[0017] 在非真空、高溫條件下，CeF3原料容易發生如下反應：
[0018]
[0019] 若有水存在，還會發生如下反應：
[0020]
[0021] 但本發明中加入的聚四氟乙烯粉體同時會發生如下反應：
[0022]
[0023] SC2FMCeC^O2 - GC02+4CeF3
[0024] 綜上可見，本發明通過加入一定量的聚四氟乙烯粉體，可有效清除氧雜質，因而實 現了在非真空條件下用坩堝下降法生長CeF3晶體，極大地簡化了 CeF3晶體的生長工藝，有 利于實現CeF3晶體的規模化生產，相對于現有技術具有顯著性進步和實用價值。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明實施例1得到的CeF3晶體毛坯；
[0026] 圖2為本發明實施例1得到的CeF3晶體樣品；
[0027] 圖3為本發明實施例1得到的CeF3晶體的XRD圖譜；
[0028] 圖4為本發明實施例1得到的CeF3晶體的X射線激發發光光譜。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。
[0030] 實施例1
[0031] 在溫度為20°C、相對濕度為6. 5%的環境下，將100g純度為99. 9%的CeF3粉體與 3g聚四氟乙烯粉體混合均勻；將混合好的原料裝入石英玻璃容器中，放入真空烘箱中，在 300°C進行真空干燥處理3小時；將干燥后的原料裝入帶擴晶錐度的鉬金坩堝中并密封，在 非真空條件下進行晶體生長：先將坩堝加熱到1460°C，保溫使坩堝內原料充分熔化(約3小 時)，然后以1毫米/小時的下降速度、30°C /厘米的溫度梯度進行晶體生長；生長完成后， 以30°C /小時的速率降至室溫。
[0032] 圖1為本實施例所得到的CeF3晶體毛述，圖2為本實施例所述方法得到的CeF 3晶 體樣品，由圖1和圖2可見：生長出的CeF3晶體毛坯完整，直徑12mm，長度(含尖端)約50mm， 經過切割拋光后的樣品具有一定的透明度。
[0033] 圖3為本實施例所得到的CeF3晶體的XRD圖譜。圖譜中樣品的衍射峰24. 433°、 25. 062 °、27. 901 °、35. 234 °、44. 049 °、45. 208 °、51.020 °、52. 959 °、64. 983 °、 68.901 °、69· 738° 分別與六方相 CeF3 的衍射指數（002)、（110)、（111)、（112)、（300)、 (113)、（302)、（221)、（214)、（304)相對應，與 CeF3 晶體的 PDF 卡片 08-0045 吻合。
[0034] 圖4為本實施例所得到的CeF3晶體（加工成Φ IOmmX 2mm的樣品）的X射線激 發發光光譜。由圖4可見：樣品發光主峰在300nm左右，與文獻報道的CeF3晶體發光主峰 位一致。
[0035] 實施例2
[0036] 在溫度為20°C、相對濕度為20%的環境下，將100g純度為99. 9%的CeF3粉體與 5g聚四氟乙烯粉體混合均勻；將混合好的原料裝入石英玻璃容器中，放入真空烘箱中，在 350°C進行真空干燥處理1小時；將干燥后的原料裝入帶擴晶錐度的鉬金坩堝中并密封，在 非真空條件下進行晶體生長：先將坩堝加熱到1470°C，保溫使坩堝內原料充分熔化(約5小 時)，然后以1. 5毫米/小時的下降速度、40°C /厘米的溫度梯度進行晶體生長；生長完成 后，以25°C /小時的速率降至室溫。
[0037] 本實施例所得到的CeF3晶體透明完整，具有實施例1所述的XRD圖譜和X射線激 發發光光譜。
[0038] 實施例3
[0039] 在溫度為20°C、相對濕度為15%的環境下，將100g純度為99. 9%的CeF3粉體與 Ig聚四氟乙烯粉體混合均勻；將混合好的原料裝入石英玻璃容器中，放入真空烘箱中，在 150 °C進行真空干燥處理5小時；將干燥后的原料裝入帶擴晶錐度的鉬金坩堝中并密封， 在非真空條件下進行晶體生長：先將坩堝加熱到1480°C，保溫使坩堝內原料充分熔化(約5 小時)，然后以〇. 5毫米/小時的下降速度、60°C /厘米的溫度梯度進行晶體生長；生長完成 后，以35°C /小時的速率降至室溫。
[0040] 本實施例所得到的CeF3晶體透明完整，具有實施例1所述的XRD圖譜和X射線激 發發光光譜。
[0041] 最后有必要在此說明的是：以上實施例只用于對本發明的技術方案作進一步詳細 地說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據本發明的上述內容 作出的一些非本質的改進和調整均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種非真空下降法生長氟化鈰晶體的方法，其特征在于，包括如下步驟： a) 使氟化鈰粉體與聚四氟乙烯粉體按質量比為100: (1~5)混勻； b) 將步驟a)得到的混合粉體進行真空干燥； c) 將步驟b)得到的干燥混合粉體裝入坩堝中，在非真空條件下，以0.5~1.5毫米/ 小時的下降速度進行晶體生長。2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟a)是在室溫下、相對濕度彡20%的環 境中進行。3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：所述氟化鈰粉體的純度> 99. 9%。4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟b)所述的真空干燥是指在150~350°C 干燥1~5小時。5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟c)所述的坩堝具有擴晶錐度。6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟c)所述的晶體生長包括如下操作：先 將坩堝加熱到1450~1490°C，保溫使坩堝內原料充分熔化，然后以0. 5~1. 5毫米/小時 的下降速度、30~60°C /厘米的溫度梯度進行晶體生長；生長完成后，以20~40°C /小時 的速率降至室溫。
【專利摘要】本發明公開了一種非真空下降法生長氟化鈰晶體的方法，其包括如下步驟：a)使氟化鈰粉體與聚四氟乙烯粉體按質量比為100:(1～5)混勻；b)將步驟a)得到的混合粉體進行真空干燥；c)將步驟b)得到的干燥混合粉體裝入坩堝中，在非真空條件下，以0.5～1.5毫米/小時的下降速度進行晶體生長。本發明通過加入一定量的聚四氟乙烯粉體，可有效清除氧雜質，因而實現了在非真空條件下用坩堝下降法生長CeF3晶體，極大地簡化了CeF3晶體的生長工藝，有利于實現CeF3晶體的規模化生產，相對于現有技術具有顯著性進步和實用價值。
【IPC分類】C30B11/00, C30B29/12
【公開號】CN104975345
【申請號】CN201410136597
【發明人】岳世海, 朱勇, 王威, 殷學技, 徐海芳, 潘裕柏, 葛增偉
【申請人】上海硅酸鹽研究所中試基地, 中國科學院上海硅酸鹽研究所
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2014年4月4日