專利名稱：大尺寸異型氟化鋇閃爍晶體的制備方法
技術領域：
本發明屬于晶體生長領域，具體涉及一種采用改進的坩堝下降法生長大尺寸異型氟化鋇閃爍晶體的技術。
背景技術：
X射線、CT、核醫學放射性核素成像、環境輻射監測、高能射線探測，其原理都是利用光子流作為射線源，射線穿透人體或物質，再從人體或物質中發射出來或射線直接被探測器接收而形成影像，所以探測器系統對射線的接收程度就成為關鍵的因素之一，而無機閃爍晶體即為探測器系統最常用的核心部件。所謂閃爍晶體即當高能射線或者放射性粒子通過時，該類晶體會在射線或粒子的激發下產生熒光脈沖。經過近100年的探索、研究和發展，無機閃爍晶體被廣泛應用于高能物理、核物理、核醫學(如XCT、PET)、工業無損探傷、地質勘探、石油測井等領域。從二十世紀八十年代末開始，BaF2作為一種具有時間分辨和能量分辨兼優的新型閃爍晶體引起人們的廣泛關注。BaF2晶體既具有較寬的透光范圍(0.13 μ
m-14 μ m)和較高的透光率，同時又具有良好的閃爍性能，其發射峰中包含有峰值波長為195nm-220nm的快分量和峰值波長為310nm的慢分量發光成分，其中慢分量為620ns,而快分量衰減時間僅為0.6ns，這是迄今為止衰減速度最快的閃爍體。BaF2晶體在α、β、Y射線的作用下能產生閃爍發光，由于其快成分脈沖可以用于精密的時間測量，得到很高的時間分辨率，所以是高能 物理和醫學應用中優選的材料，而且它同時還具有高的抗輻照能力，因此也適合于大型粒子加速器上作探測應用。因此進入九十年代，為滿足高能物理工程的使用要求，世界各國都先后針對大體積、高抗輻照性能的BaF2晶體的生長進行了大量的研究。隨著高能物理、核物理科學的進步，將會不斷的建立規模更大、性能更優的加速器和探測器系統，而這同時對BaF2晶體的要求也越來越高。除了對BaF2晶體本身性能的要求夕卜，復雜的晶體外形要求也成為其一個重要的技術難點。由于BaF2晶體熱導率低，晶體中會殘留較大的熱應力(尤其是大尺寸晶體)，在加工過程中極易開裂，使成品率大大降低。因此為了滿足高能物理、核物理等領域的需求，有必要在現有下降法生長技術的基礎上進行改進，以直接生長出不同要求的異型大尺寸BaF2晶體，以降低其加工難度，提高成品率。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進的坩堝下降法生長大尺寸異型BaF2晶體，以解決大尺寸異型BaF2晶體制備加工困難及成品率低等問題。采用所述改進后的工藝生長BaF2晶體，有效的提高了原料的使用率，縮短了生長周期，降低了異型大尺寸BaF2晶體的后加工難度，并最終明顯提聞了廣品率。本發明的大尺寸異型BaF2晶體的制備主要分為二大步:
(I)晶體生長原料的預處理:稱取適量的BaF2和PbF2粉末(除氧劑)混合均勻后置于真空干燥爐內，200°C烘干12h ;將烘干后的原料裝入坩堝并置于晶體生長爐中，抽真空，加熱至熔化后降溫至室溫；取出坩堝中結晶的原料，粉碎為氟化鋇多晶料用于晶體生長。(2)采用下降法直接生長出所需的異型BaF2晶體:首先根據實際外形及尺寸加工相應的異型高純石墨坩堝JfBaF2S晶料裝入異性坩堝中，放入下降爐內；開真空泵抽真空使爐體內部真空度達到10_3Pa以上；主要晶體生長參數如下:坩堝下降速度為I 4mm/h ;固液界面附近軸向溫度梯度約為20 30°C /cm ;晶體生長結束后以5 50°C /h的速度冷卻至室溫，并取出晶體。所述步驟2)中的異型高純石墨坩堝需按照實際需求加工(比實際需求尺寸稍大，以便于后續加工及表面拋光)，如為五棱臺、六棱臺等異型。所述步驟2)中坩堝下降速率與晶體的直徑直接相關，晶體的直徑越大，為防止晶體由于結晶潛熱無法釋放而造成過冷形成包裹體，影響晶體質量，下降速率應越慢。本發明主要針對高能物理、核物理等領域特殊研究設備對各種大尺寸、異型氟化鋇晶體的需求，對下降法生長技術工藝及坩堝形狀進行了改進，相對與普通下降法具有明顯的優勢:(I)可以直接生長出各種大尺寸異型晶體，大大降低了后續的加工難度，提高了產品的成品率；(2)改進了生長工藝條件，縮短了晶體生長周期，并減少了原料重量，有效降低了產品的成本；(3)由于大尺寸氟化鋇晶體極易在生長過程中開裂，而采用異型坩堝生長時其斜面部分直徑較小，晶體不容易開裂，這不但提高了晶體的完整性，而且降低了晶體的生長難度。本發明的制備方法中采用異型坩堝生長是本發明的一個重要特征，可以直接生長出各種特殊要求的異型大尺寸晶體，提高晶體的產率和成品率，并有效降低成本。
圖1為坩堝下降法晶體生長爐示意圖的剖面圖。圖中I為不銹鋼爐體，2為保溫層，3為石墨發熱體，4為 石墨坩堝，5為坩堝托及下反射罩，6為加熱電極，7為下降裝置，8
為真空裝置。圖2為五棱臺異型石墨坩堝剖面及俯視圖。圖3為六棱臺異型石墨坩堝剖面及俯視圖。圖4為采用異型石墨坩堝所生長的五棱臺、六棱臺氟化鋇晶體。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步闡述本發明，應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的保護范圍。實施例1
稱取純度為99.99%的氟化鋇粉料，加入l-2wt%的氟化鉛做除氧劑，并混合均勻，在200°C左右干燥20小時后裝入石墨坩堝中；升溫至800°C保持2小時使氟化鉛與氧化鋇充分發生氟化反應，然后升溫至1300°C，使原料完全熔化，以5-20°C /h的速度降至室溫，取出晶塊，粉碎后作為生長晶體的多晶料。將多晶料中加入l_2wt%的氟化鉛做除氧劑并混合均勻，裝入如圖2或3所示的五或六棱臺異型石墨坩堝中，然后將坩堝置于圖1所示的生長爐內；抽真空至10_3Pa以上后，開始升溫，首先在800°C保持2小時使氟化鉛反應并揮發完全，后升溫至1300°C，使原料完全熔化并保持2小時，然后坩堝開始緩慢下降生長晶體:斜放肩過程中下降速率一般較快，約為2-3mm/h ;等徑(尤其是大尺寸晶體，直徑> IOOmm)過程中下降速率稍慢，約為l_2mm/h。待生長結束后，將坩堝回升至原始位置，并以5-20°C /h的速率緩慢降至室溫，最后將晶體取出，如圖4所示。由本實施例可以看出，針對高能物理中研究設備的特殊需求，用本發明提供的大尺寸異型氟化鋇晶體生長方法，可以直接生長出實際需求的五或六棱臺異型氟化鋇晶體(晶體底部直徑可達到140mm)，這將大大降低晶體的后加工難度，并且由于斜放肩(五棱臺側面)過程生長速 度較快，因此還有效的縮短了生長周期，提高了生產效率。
權利要求
1.一種采用改進的坩堝下降法生長大尺寸異型氟化鋇閃爍晶體的技術，其特征在于直接使用異型石墨坩堝進行下降法氟化鋇晶體生長，其具體步驟包括:(1)晶體生長原料的預處理:稱取適量的BaF2和PbF2粉末(除氧劑)混合均勻后置于真空干燥爐內，200°C烘干12h ;將烘干后的原料裝入坩堝并置于晶體生長爐中，抽真空，加熱至熔化后降溫至室溫；取出坩堝中結晶的原料，粉碎為氟化鋇多晶料用于晶體生長。
2.(2)采用下降法直接生長出所需的異型BaF2晶體:首先根據實際外形及尺寸加工相應的異型高純石墨坩堝JfBaF2S晶料裝入異性坩堝中，放入下降爐內；開真空泵抽真空使爐體內部真空度達到10_3Pa以上；主要晶體生長參數如下:坩堝下降速度為I 4mm/h ；固液界面附近軸向溫度梯度約為20 30°C /cm ;晶體生長結束后以5 50°C /h的速度冷卻至室溫，并取出晶體。
3.根據權利要求1所述大尺寸異型氟化鋇晶體生長技術，其特征在于生長所需的異型石墨坩堝是根據實際形狀、尺寸加工定制的。
4.根據權利要求1所述大尺寸異型氟化鋇晶體生長技術，其特征在于在晶體生長的斜放肩(異型 體側面)過程中可保持較快的下降速率，為2-3mm/h。
全文摘要
本發明屬于晶體生長領域，具體涉及一種采用改進的坩堝下降法生長大尺寸異型氟化鋇閃爍晶體的技術，其特征是采用異型石墨坩堝進行生長，可直接制備出不同實際需要的高質量、大尺寸的異型氟化鋇晶體。利用本發明方法可以有效縮短大尺寸晶體的生長周期，提高晶體的生產效率和產品率，降低了生產成本，并大大簡化異型晶體的后加工工序。
文檔編號C30B11/00GK103243377SQ201210021980
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月1日 優先權日2012年2月1日
發明者甄西合, 任紹霞, 劉建強, 史達威, 潘興彥, 張欽輝, 葛云程 申請人:北京首量科技有限公司