Фізико-технічні основи одержання із розплаву великогабаритних лужногалоїдних монокристалів

Інтенсивність зазначеного світіння збільшується зі зростанням інтенсивності смуг поглинання СО32--іонів. На досліджуваній залежності відносної інтенсивності радіолюмінесценції (137Cs) кристалів CsI(CO3) від вмісту в них -іонів початок плато відповідає концентрації 1,2·10-3 мол % Cs2CO3, час згасання g -сцинтиляцій при цьому складає 2 мкс. Із зменшенням вмісту карбонат-іонів у кристалі величина ф збільшується і при концентрації ~ 4·10-4 Cs2СО3 мол % складає 3 мкс.

Максимальні значення виходу б-сцинтиляцій (137Cs) детекторів із кристалів CsI(CO3) складають 130% від Lg кристалів CsI(Tl) промислового виробництва, що відповідає 60% світлового виходу кристалів NaI(Tl). Перевагою кристалів CsI(CO3) є те, що вихід a- сцинтиляцій (241Am, 5,5 МеВ) складає 260% щодо зразків CsI(Tl). Крім того, досліджувані кристали мають характерну особливість, що виявляється у відсутності температурного гасіння люмінесценції в інтервалі 300'160 K.

Таким чином, виявилося, що кристали на основі сильно легованого CsI(CO3) є новим ефективним сцинтиляційним матеріалом. Відмінність t кристалів CsI(CO3), NaI(Tl) і CsI(Na) при близькому спектральному складі сцинтиляцій дозволила використовувати їх у комбінованих детекторах для поділу різноманітного роду часток за часовою ознакою. Отримано криві амплітудного поділу г - сцинтиляцій двома типами комбінованих детекторів NaI(Tl) + CsI(CO3) і CsI(Na) + CsI(CO3). При створенні комбінованих детекторів перевагу було віддано кристалам на основі пластичного і малогігроскопічного йодиду цезію - CsI(Na) + CsI(CO3). Це дозволило значно підвищити їхню вібротермотривкість, гігростійкість, а також істотно спростити конструкцію складання. Комбіновані детектори на основі кристалів CsI(Na) і CsI(CO3) були випробувані й успішно використані при проведенні космічних досліджень.

Фторид літію. Розроблені методи й апаратура для вирощування ЛГК дозволяє одержувати не тільки хлориди і йодиди, але і більш важкоплавкі фториди лужних металів. У рамках даної роботи були розроблені сцинтиляційні матеріали на основі активованих кристалів LiF(Ti), LiF(Nb) і LiF(W). У основі розробки було прагнення до одержання матеріалу, придатного для реєстрації нейтрино і теплових нейтронів.

Амплітудні спектри сцинтиляцій для кристалів LiF(W) характеризуються піком повного поглинання при опроміненні електронами (207Bi Eb=0,945 МеВ, Еg1=0,57 МеВ, a-частками (241Am, Еg=5,5 МеВ), Еg2=1,06 МеВ) і тепловими нейтронами (плутоній-берилієве джерело). Аналогічні спектри отримано і для кристалів LiF(Ti) і LiF(Nb), що свідчить про їхню сцинтиляційну якість. Спектральний склад сцинтиляцій у даних матеріалах характеризується максимумом при 410 нм для кристалів LiF (Ti), 370 нм - для кристалів LiF(Nb) і 430 нм - для кристалів LiF(W).

Спектр випромінювання сцинтилятора LiF(Nb) дещо зсунутий в область ближнього ультрафіолету, інші характеризуються спектрами, що збігаються з областю максимальної чутливості застосовуваних у сцинтиляційній техніці фотопомножувачів.

Автоматизована технологія вирощування активованих кристалів LiF із використанням методу Кіропулоса в ростовому обладнанні "РОСТ" дозволила одержувати монокристали заданих розмірів і властивостей; напіврозділення R/2 спектрометра з кристалом LiF(Ti) (L=2% від NaI(Tl)) розміром 150ґ150ґ300 мм, виміряне по Комптоновському краю при збудженні g - променями від джерела 232Th (Eg=2.614 МеВ), склало 14,5%, із джерелом 239Pu-7Be у парафіновій оболонці (Eg=4,43 МеВ) - 11,5%, із 22Na (Eg =1.275 МеВ) - 19%; енергетичне розділення такого спектрометра для випадку реєстрації сонячних нейтрино (Ee=10 МеВ), розраховане за цими даними, складае 14,1%, 14,8% і 12,4% відповідно.

Аналогічні вимірювання, виконані на сцинтиляторі LiF(W), показали, що великогабаритний детектор перетином 150ґ150 мм і довжиною до 450 мм характеризується енергетичним розділенням RЈ15 % при збудженні високоенергетичними електронами із середньою енергією Ee=10 МеВ.

Більш високі значення світлового виходу у кристалах LiF(W), що складають до 3,5% щодо NaI(Tl), дозволяють використовувати ці кристали ще й як ефективні детектори теплових нейтронів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Вперше сформульовані фізичні принципи управління направленою кристалізацією з постійного і змінного об'єму розплаву, які ґрунтуються на забезпеченні постійними в часі діаметру кристала, що росте, масової швидкості кристалізації і незначної зміни форми фронту кристалізації.

2. Результати комплексних досліджень процесів управління направленою кристалізацією при вирощуванні великогабаритних монокристалів А1ВV11 з розплаву на затравці дозволили створити фізико-технічні основи технології вирощування великогабаритних ЛГК із заданою структурою і керованими оптичними, сцинтиляційними і механічними характеристиками.

3. На основі запропонованих принципів вирощування монокристалів розроблено, випробувано і реалізовано на практиці інструментально-технічний комплекс, що включає:

промислові установки "РОСТ", які дозволяють одержувати лужногалоїдні великогабаритні монокристали на затравці діаметром до 600 мм і висотою до 750 мм із змінюваним або постійним рівнем розплаву в тиглі;

новий спосіб автоматизованого вирощування з розплаву на затравці, який ґрунтується на визначенні діаметра кристала за зміною рівня розплаву в тиглі в результаті імпульсного витягування кристала з розплаву;

конструкцію теплової камери для варіанта підживлення вихідною сировиною з тигелем із периферійною кільцевою ємкістю, нагрівачі і керамічні елементи направленого формування теплових потоків від нагрівачів;

три способи управління формою і положенням міжфазної межі при вирощуванні кристалів, що дозволили в сукупності з переліченими вище пунктами створити основи стабілізації масової швидкості кристалізації і перетину кристала.

4. З аналізу процесів масопереносу на міжфазних межах, обумовлених витягуванням кристала, зміною густини розплаву і кристала, флуктуаціями форми фронту кристалізації і випаровуванням легколетких компонентів, виділені і конкретизовані основні параметри управління кристалізацією; отримані аналітичні вирази, що визначають взаємозв'язок між швидкістю витягування кристала, швидкістю і складом підживлення, діаметром і складом кристала, який росте, являють собою фізичні основи управління процесами вирощування і складом кристалів у консервативних і неконсервативних системах.

5. Встановлено кінетику і механізм пластичної деформації скидоутворення у кристалах на основі CsI, що ростуть, із різноманітним орієнтаційним фактором Шміда. З урахуванням анізотропії механічних властивостей експериментально встановлена кристалографічна орієнтація кристалів, за якої можливе їх одержання без великокутових меж.

6. Вирішено задачу управління дислокаційною структурою у кристалах NaI(Tl) при використанні такого технологічного параметра, як висота рівня розплаву в тиглі, керуючи яким можна переформовувати температурне поле у ростовій печі, маючи інформацію про знак і величину скривлення кристалографічних площин (001) у вирощеному кристалі.

7. Вперше розроблена і впроваджена технологічна операція фільтрації розплаву (безпосередньо у процесі росту кристала) на стадії його надходження з периферійної кільцевої ємкості в основну частину тигля. Вирощені кристали відрізняються не тільки більш високою прозорістю в області активаторного випромінювання (К420<1·10-2 см-1), але й не містять сторонніх включень.

8. Показано, що активаторні скупчення, які погіршують прозорість і енергетичне розділення кристалів CsI(Na), отриманих на ростовому обладнанні "РОСТ", практично відсутні, що є однією з основних переваг нового способу. Детектори з цих кристалів мають більш високі й однорідні сцинтиляційні параметри, які не залежать від вмісту активатора в більш широкому діапазоні концентрацій ((1ч5)·10-2 мол % NaI). Введення домішки брому в кристал CsI(Na) істотно підвищує гігростійкість цієї системи, що помітно покращує її експлуатаційні властивості, особливо в умовах підвищеної вологості.

9.На ростовому обладнанні "РОСТ" уперше розроблені автоматизовані технологічні процеси одержання:

високопрозорих оптичних монокристалів KCl діаметром до 600 мм, для вікон потужних лазерів з оптичними характеристиками, що не поступаються кристалам, отриманим при пропусканні через розплав реактивних газоподібних галоїдів і галоїдоводнів;

традиційних сцинтиляційних кристалів NaI(Tl), CsI(Na) із поліпшеними параметрами діаметром до 520 мм і масою до 500 кг;

нового високоефективного сцинтиляційного матеріалу CsI(CO3) для реєстрації іонізуючого випромінювання широкого діапазону енергій. Детектори з цих кристалів, маючи всі переваги основи CsI, у 2 рази перевершують кристали CsI(Tl) за величиною виходу б-сцинтиляцій, мають порівнянний вихід б-сцинтиляцій із кристалами CsI(Na), який незалежно від виду випромінювання характеризується відсутністю температурного гасіння;

нових сцинтиляторів на основі LiF для детектування сонячних нейтрино і теплових нейтронів з ефективністю реєстрації на рівні 3,5% від NaI(Tl). Великогабаритні модулі, виготовлені з монокристалів LiF(W), мають спектрометрію, що відповідає поставленим вимогам.

10. Розроблено способи прямо- і криволінійного різання кристалів направленим розчиненням, на підставі результатів досліджень яких створено устаткування і здійснено автоматизацію процесів порізу великогабаритних кристалів на диски з малим відношенням товщини до діаметра, а також заготівок різноманітної конфігурації з низькою шорсткістю поверхні.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ OПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Горилецкий В.И., Неменов В.А., Радкевич А.В., Эйдельман Л.Г. Влияние формы фронта кристаллизации на диаметр кристалла при автоматизированном вытягивании из расплава // Физика и химия монокристаллов и сцинтилляторов. - Харьков: ВНИИМ. - 1981. - С. 1-5.

2. Goriletsky V.I., Nemenov V.A., Protsenko V.G., Radkevich A.V., Eidelman L.G., Automated pulling of large alkali halide single crystals // J. Crystal Growth. - 1981.-V. 52. - P. 509-513.

3. Горилецкий В.И., Неменов В.А., Проценко В.Г., Радкевич А.В., Эйдельман Л.Г. Некоторые параметры неконсервативного процесса выращивания монокристалла с автоматическим управлением по сигналу датчика уровня расплава // Материалы IX Совещания по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве. - Л.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе. - 1982. - С. 322-328.

4. Eidelman L.G, Goriletsky V.I., Nemenov V.A., Protsenko V.G., Radkevich A.V. Automated growing of large single crystals controlled by melt level sensor // Crystal. Res. and Technol. - 1985. - V. 20, №2. - P. 167-172.

5. Горилецкий В.И., Лейбович В.С., Неменов В.А., Радкевич А.В., Эйдельман Л.Г. Изменение формы фронта кристаллизации под действием возмущений в процессе вытягивания щелочногалоидных монокристаллов из расплава // Неорганические материалы. - 1985.-Т. 21, №1. - С. 115-118.

6. Удовиченко Л.В., Горилецкий В.И., Косинов Н.Н., Митичкин А.И., Панова А.Н., Чаркина Т.А. Влияние g- радиации на ИК - поглощение кристаллов KCl // ЖПС. - 1986.Т.ХLIV,-№1. - С. 156-159.

7. Виноград Э.Л., Горилецкий В.И., Панова А.Н., Шахова К.В., Шпилинская Л.H., Эйдельман Л.Г. Оптические и сцинтилляционные свойства кристаллов CsI с добавкой Cs2CO3 // Оптика и спектроскопия. - 1990. - Т. 69, №5. - С. 1185-1186.

8. Eidelman L.G., Goriletsky V.I., Protsenko V.G., Radkevich A.V. Trofimenko V.V. Automated pulling from the melt - an effective method for growing large alkali halide single crystals for optical and scintillation applications// J. Cryst. Growth. - 1993. - V. 128. - P. 1059-1061.

9. Виноград Э.Л., Горилецкий В.И., Корсунова С.П., Кудин А.М., Митичкин А.И., Панова А.Н., Радкевич А.В., Шахова К.В., Шпилинская Л.Н. Спектрально-кинетические свойства кристаллов CsI(CO3) // Оптика и спектроскопия. - 1993. - Т. 75, №5. - С. 996-1000.

10. Goriletsky V.I., Eidelman L.G., Panova A.N., Shakhova K.V., Shpilinskaja L.N., Vinograd E.L., Mitichkin A.I. New scintillation material CsI(CO3) // Nucl. Tracks. Radiation Measure. - 1993. - V. 21, №1. - Р. 109-110.

11. Горилецкий В.И., Гудзенко Л.В., Радкевич А.В., Сойфер Л.М., Сумин В.И., Угланова В.В., Эйдельман Л.Г. Зависимость предела текучести монокристаллов LiF(W) от концентрации активатора и температуры // Функциональные материалы. - 1994. - Т. 1, №2. - С. 142-144.

12. Goriletsky V.I. Structural changes in CsI-based single crystals pulled from melt on seed // Functional Materials. - 1998. - V. 5, №4. - Р. 490-494.

13. Goriletsky V.I. Evolution of structural state in massive CsI based single crystals pulled from melt // J. Cryst. Growth. - 1999. - V. 198/199. - P. 860-864.

14. Panova A.N., Goriletsky V.I., Grinyova T.B., Shakhova K.V., Vinograd E.L., Study of the growth atmosphere effect on optical and scintillation characteristics of large CsI(Tl) crystals // J. Cryst. Growth. - 1999. - V. 198/199. - P. 865-868.

15. Горилецкий В.И., Гринев Б.В., Бондаренко С.К., Сумин В.И., Бобыр В.И. Выращивание монокристаллов NaI(Tl) диаметром 500 мм без пластической деформации // Известия ВУЗ. - 1999. - №2. - С. 37-39.

16. Goriletsky V.I. Control of the crystallization front shape in the course of large CsI(Na) single crystals growing by Kyropoulos automated method // Functional Materials. - 1999. - V. 6, №1. - P. 73-76.

17. Goriletsky V.I., Grinyov B.V., Panova A.N., Shakhova K.V., Vinograd E.L., Korsunova S.P. Kinetic and scintillation characteristics of CsI(Na) crystals grown under melt mixing // Nucl. Instr. and Meth. B. - 1999. - V. 159. - P. 111-115.

18. Bondarenko S.K., Goriletsky V.I., Suzdal V.S. Production of large CsI(Tl) single crystals grown by semicontinuous automated method // Functional Materials. - 1999. - V. 6, №2. - Р. 380-382.

19. Goriletsky V.I. Machining of large alkali halide crystals using directional dissolution // Functional Materials. - 1999. - V. 6, №4. - P. 1-5.

20. Горилецкий В.И., Автоматизированная установка для резки щелочно-галоидных кристаллов. //ПТЭ.- 2000.- №2.-С. 147-151.

21. Smirnov N.N., Goriletsky V.I., Bondarenko S.K. Crystallization processes control on growing large dimension crystals out of the melt // Functional Materials. - 2000. - V. 7, №1. - P. 41-46.

22. Пат. 1116763 РФ, МКИ С 30 В 15 / 20. Устройство для выращивания монокристаллов / А.В. Радкевич., Л.Г. Эйдельман, В.А. Львович, В.Г. Проценко, В.И. Горилецкий, В.А. Неменов (Украина); Институт монокристаллов АН Украины- №3606911/23;- Заявл. 15.06.83.; Опубл. 30.11.93, Бюл. №44.

23. Пат. 16725 Украина, МКИ С 30 В 15 /20. Устройство для выращивания монокристаллов / А.В. Радкевич., Л.Г. Эйдельман, В.А. Львович,

В.Г. Проценко, В.И. Горилецкий, В.А. Неменов (Украина); Институт монокристаллов АН Украины - №3606911/23; Заявл. 15.06.83; Опубл. 29.08.97, Бюл. №4.

24. Пат. 1431392 РФ, МКИ С 30 В 11/02, 29/12. Способ получения щелочно-галоидных кристаллов / В.И. Горилецкий, В.А. Неменов, А.Н. Панова, Л.Г.Эйдельман (Украина); Институт монокристаллов АН Украины-№4164710/23; Заявл. 22.12.86; Опубл. 15.03.93, Бюл. №10.

25. Пат. 16722 Украина, МКИ С 30 В 11/02, С 30 В 29/12. Способ получения щелочногалоидных кристаллов / В.И. Горилецкий, В.А. Неменов, А.Н. Панова, Л.Г. Эйдельман (Украина); Институт монокристаллов АН Украины - №4164710/23; Заявл. 22.12.86, Опубл. 29.08.97, Бюл. №4.

26. Пат. 1511979 РФ, МКИ В 28 D 5/00. Способ распиловки кристаллов / В.И Горилецкий., А.В. Радкевич, В.Ф. Федько, Л.Г. Эйдельман (Украина); Институт монокристаллов АН Украины №4317688/23; Заявл. 19.10.87, Опубл. 30.12.93, Бюл. №48.

27. Пат. №16715 Украина, МКИ В 28 D 5/00. Способ распиловки кристаллов / В.И. Горилецкий., А.В. Радкевич, В.Ф. Федько, Л.Г. Эйдельман (Украина); Институт монокристаллов АН Украины- №4317688/23; Заявл. 19.10.87; Опубл. 29.08.97, Бюл. №4.

28. Пат. 1510411 РФ, МКИ С 30 В 15/02. Устройство для вытягивания кристаллов из расплава / В.И. Горилецкий, Л.Г. Эйдельман, В.Г. Проценко, А.В. Радкевич, В.Р. Любинский, (Украина); Институт монокристаллов АН Украины - №4380930/23; Заявл. 22.02.88; Опубл. 30.12.93, Бюл. №48.

29. Пат. 16721 Украина, МКИ С 30 В 15/02. Устройство для вытягивания кристаллов из расплава / В.И. Горилецкий, Л.Г. Эйдельман, В.Г. Проценко, А.В. Радкевич, В.Р. Любинский, (Украина); Институт монокристаллов АН Украины - №4380930/23; Заявл. 22.02.88; Опубл. 29.08.97, Бюл. №4.

30. Пат. 1793746 РФ, МКИ С 30 В 15/00, 29/12. Способ получения щелочно-галоидных кристаллов / В.И. Горилецкий, Л.В. Ковалева, В.И. Сумин, В.В.Угланова, Т.А. Чаркина, Л.Г. Эйдельман (Украина); Институт монокристаллов АН Украины - №4868496/26; Заявл. 03.07.90.

31. Пат. 4585 Украина, МКИ С 30 В 15/00, 29/12. Способ получения щелочногалоидных кристаллов / В.И. Горилецкий, Л.В. Ковалева, В.И. Сумин, В.В.Угланова, Т.А. Чаркина, Л.Г. Эйдельман (Украина); Институт монокристаллов АН Украины - №4868496/26;. Заявл. 26.04.93; Опубл. 28.12.94, Бюл. №7-1.

32. Пат. 21026 Украина, МКИ G 01 T1/202. Сцинтилляционный материал на основе монокристалла LiF / Э.Л. Виноград, В.М. Гаврин, В.И. Горилецкий, И.М Красовицкая, А.М. Кудин, А.И. Митичкин, А.М. Пшуков, В.А. Тарасов, В.В. Угланова, Т.А. Чаркина, В.В. Шляхтуров, Л.Г. Эйдельман (Украина); НИО ЩГК НТК "Институт монокристаллов" АН Украины -№94020403; Заявл. 19.03.93; Опубл. 27.02.98, Бюл. №1.

33. Пат. 265 Украина, МКИ В 28 D 5/04. Пристрій для обробки монокристалів / В.И. Горилецкий (Украина); Заявл. 27.01.98; Опубл. 25.12.98, Бюл. №6.

34. Shakhova K.V., Panova A.N., Goriletsky V.I., Gavrilyuk V.P. Photoinduced coloration of NaI(Tl) crystals: effect of the lead impurity trace concentration // Book of Abstracts the fifth International Conference on “Inorganic Scintillator and Their Applications” (SCINT-99). - Moscow. - 1999. - P. 115.

АНОТАЦІЇ

Горілецький В.І. Фізико-технічні основи одержання з розплаву великогабаритних лужногалоїдних монокристалів, рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. НТК "Інститут монокристалів" НАН України, Харків, 2000.

У роботі сформульовані фізичні принципи управління направленою кристалізацією з постійного і змінного об'єму розплаву, які грунтуються на забезпеченні постійними в часі діаметра кристала, що росте, масової швидкості кристалізації і плавної зміни ФФК.

Результати комплексних досліджень процесів управління направленою кристалізацією при вирощуванні з розплаву на затравці великогабаритних монокристалів А1ВV11 дозволили створити фізико-технічні основи технології вирощування великогабаритних ЛГК із заданою структурою і керованими оптичними, сцинтиляційними і механічними характеристиками.

В рамках практичного здійснення поставленого завдання створені: новий метод автоматизованого напівбезперервного вирощування з постійним рівнем розплаву в тиглі; принцип управління технологічним процесом, ростове обладнання "РОСТ" промислового типу; схема підживлення розплаву вихідною сировиною; багатофункціональна конструкція тигля.

На основі експериментальних і аналітичних досліджень відпрацьовані способи управління масовою швидкістю кристалізації і формою фронту кристалізації. Розраховано, апробовано і введено в технологічні процеси алгоритми управління домішковим складом, які забезпечують рівномірний розподіл активатора в об'ємі кристала. Вирішено завдання управління дислокаційною структурою в кристалі NaI(Tl), що росте. Встановлено особливості скидоутворення в кристалах на основі CsI. Розроблено способи різання направленим розчиненням, здійснена автоматизація процесів порізу великогабаритних кристалів на заготівки.

Розроблено промислові технології одержання великогабаритних високопрозорих кристалів KCl діаметром до 600 мм, легованих кристалів NaI(Tl), CsI(Na) діаметром до 520 мм, нових монокристалічних матеріалів CsI(CO3), LiF(W) діаметром до 300 мм.

Розробленим устаткуванням для вирощування і порізу оптичних і сцинтиляційних великогабаритних кристалів проведено переоснащення промислового виробництва.

Ключові слова: управління процесом; вирощування; дислокаційна структура; різання; ростове обладнання "РОСТ".

Горилецкий В.И. Физико-технические основы получения из расплава крупногабаритных щелочногалоидных монокристаллов, рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. НТК "Институт монокристаллов" НАН Украины, Харьков, 2000.

В диссертации сформулированы физические принципы управления направленной кристаллизацией из постоянного и меняющегося объемов расплава, основанные на обеспечении постоянными во времени диаметра растущего кристалла, массовой скорости кристаллизации и плавного изменения формы фронта кристаллизации. Из анализа процессов массопереноса на межфазных границах, обусловленных вытягиванием кристалла, изменением плотности расплава и кристалла, флуктуациями формы фронта кристаллизации и испарением легколетучих компонентов, выделены и конкретизированы основные параметры управления кристаллизацией; получены аналитические выражения, определяющие взаимосвязь между скоростью вытягивания кристалла, скоростью и составом подпитки, диаметром и составом растущего кристалла, представляющие собой физические основы управления процессами выращивания и составом кристаллов в консервативных и неконсервативных системах.

Результаты комплексных исследований процессов управления направленной кристаллизацией при выращивании из расплава на затравке крупногабаритных монокристаллов АIВVII позволили создать физико-технические основы технологии выращивания крупногабаритных ЩГК с заданной структурой и управляемыми оптическими, сцинтилляционными и механическими характеристиками.

В рамках практического осуществления поставленной задачи созданы: новый метод автоматизированного полунепрерывного выращивания с постоянным уровнем расплава в тигле; принцип управления технологическим процессом; установка "РОСТ" промышленного типа для управляемого получения крупногабаритных ЩГК диаметром до 600 мм и высотой до 750 мм; схема подпитки расплава исходным сырьем; многофункциональная конструкция тигля.

В разработанных методе и установке для выращивания ЩГК, кроме обеспечения постоянства поверхности раздела "кристалл-расплав", реализуются и многочисленные дополнительные возможности. Вращение кристалла и тигля обеспечивает симметрию температурных полей, способствует усилению естественного конвективного перемешивания расплава и активатора. Постоянство уровня расплава в тигле сохраняет стабильность температурных условий на границах раздела фаз "кристалл-расплав" и "кристалл-окружающая среда". Стабильность массовой скорости роста создает вблизи фронта кристаллизации стационарные условия для направленной кристаллизации, не зависящие от высоты кристалла.

Определение текущего значения диаметра кристалла, корректировка температурных режимов и параметров подпитки осуществляется по скачкообразному изменению уровня расплава в тигле как функции изменения объема погруженной в расплав части кристалла при импульсном его подъеме на величину 0,1-0,9 мм. Способ обеспечивает высокую чувствительность и независимость измерения диаметра кристалла от условий кристаллизации и позволяет решить задачу получения стабильного диаметра на всей длине кристалла без взаимосвязи с флуктуациями формы фронта кристаллизации, скоростью подпитки, наличием паразитной кристаллизации на стенках тигля и т.д.

Рассчитаны, апробированы и введены в технологические процессы алгоритмы управления примесным составом, обеспечивающие равномерное распределение активатора во всем объеме крупногабаритного кристалла.

Установлены кинетика и механизм пластической деформации сбросообразования в растущих кристаллах на основе CsI с различным ориентационным фактором Шмида. С учетом анизотропии механических свойств экспериментально установлена кристаллографическая ориентация кристалла, при которой возможно получение кристаллов без большеугловых границ.

Решена задача управления дислокационной структурой в кристаллах NaI(Tl) при использовании такого технологического параметра, как высота уровня расплава в тигле, управляя которым можно переформировывать температурное поле в ростовой печи, имея информацию о знаке и величине искривления кристаллографических плоскостей (001) в выращенном кристалле.

Разработаны способы прямо - и криволинейного резания кристаллов направленным растворением, на основании которых создано оборудование и осуществлена автоматизация процессов порезки крупногабаритных кристаллов на диски с малым отношением толщины к диаметру, а также заготовок различной конфигурации с низкой шероховатостью поверхности.

Разработана и внедрена технологическая операция фильтрации расплава (осуществляемая непосредственно в процессе роста кристалла) на стадии его поступления из периферической кольцевой емкости в основную часть тигля. Выращенные кристаллы отличаются не только более высокой прозрачностью в области активаторного излучения, но и не содержат посторонних включений.

Показано, что активаторные скопления, ухудшающие прозрачность и энергетическое разрешение, в кристаллах, полученных на установках "РОСТ", практически отсутствуют. Последнее является одним из основных достоинств нового способа. Детекторы из этих кристаллов обладают более высокими и однородными сцинтилляционными параметрами, не зависящими от содержания активатора в более широком диапазоне концентраций.

Результатом проведенных исследований и разработок является создание промышленных технологии получения крупногабаритных высокопрозрачных кристаллов KCl диаметром до 600 мм, легированных кристаллов NaI(Tl), CsI(Na) диаметром до 520 мм массой до 500 кг, новых монокристаллических материалов CsI(CO3), LiF(W) диаметром до 300 мм.

Проведено переоснащение промышленного производства разработанным оборудованием для выращивания и порезки оптических и сцинтилляционных крупногабаритных кристаллов.

Ключевые слова: управление процессом; выращивание; дислокационная структура; порезка; распределение примеси; установка "РОСТ".

Goriletsky V.I. Physical - technical foundations of growing massive alkali halide crystals from melt. Manuscript. Thesis for degree of doctor of technical sciences by specialty 05.02.01- material research science. STC "Institute for Single Crystals", National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2000.

Complex investigations of the control processes for the oriented crystallization at growing large A1BV11 crystals from melt onto the seed for different applications in material science have been curried out in this work.

In the scope of practical solution of the formulated task developed have been; a new method of automated semicontinuous growth with constant melt level in the crucible kept ; a principle of controlling the technological process; industrial type growth set-up "ROST"; a scheme of melt replenishment with raw material; multifunctional design of the crucible.

On the basis of experimental and analytical investigation methods of mass crystallization rate control have been refined on. Algorithms of impurity composition control which provide uniform distribution of the dopant in the crystal volume have been calculated, approbated and introduced into the technological process. The problem of the dislocation structure control in the growing NaI(Tl) crystal has been solved. Peculiarities of "kink-band" formation in CsI-based crystals have been found. Directed dissolution methods for cutting large crystals have been developed, automation of cutting big crystals into blanks has been realized. Industrial technologies for growing big highly transparent KCl crystals up to 600 mm in diameter, doped NaI(Tl), CsI(Na) ones up to 520 mm in diameter, new single crystalline materials CsI(CO3), LiF(W) to 300 mm in diameter have been worked out.

Re-equipment of industrial production site with the developed facilities for the growth and cutting of large optical and scintillation crystals has been performed.

Keywords: control processes; growing; dislocation structure; cutting; impurity composition; set-up "ROST"

Размещено на Allbest.ru