Способ термообработки кристаллов германата висмута

Способ термообработки кристаллов германата висмута

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к сцинтилляционной технике и обеспечивает увеличение светового выхода, улучшение энергетического разрешения и стабилизации сцинтилляционных параметров кристаллов. Термообработку ведут в замкнутом объеме в парах оксида висмута, взятого в количестве 3,3-5,3 г/м в следующем режиме: нагрев со скоростью 75-200 град/ч до 970-1030°С, выдержка при этой температуре 0,5-1,0 ч. охлаждение со скоростью 50-100 град/ч до 900-960°С и далее до комнатной со скоростью 100-200 град/ч. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<я) С 30 8 33/02, 29/32

f OÑÓÄÀPCÒÂÅÍHOÅ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

>, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4765520/26 (22) 05.12.89 (46) 23;07 93, Бюл. М 27 (71) Институт монокристаллов АН Украины (72) Н.H.ÊYíòèíà, В;Д.Рыжиков, Е.Н.Пирогов, Ю.А.Бороденко и С. cD, Бурачас (56) Бочкова Т.M. Термическое разрушение фотоиндуцированных центров окраски в мо.нокристаллах BGO. / Активные диэлектрики, Днепропетровск, 1984, с. 105-112. (54) СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ КРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНАТА ВИСМУТА

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, предназначено для регистрации и спектрометрии гамма-квантов и . других элементарных частиц и может быть использовано при промышленном. произ. водстве сцинтилляторов.

Цель изобретения — увеличение светового выхода, улучшение энергетического разрешения и стабилизации сцинтилляциониых параметров кристаллов ВСО.

Поставленная. цель достигается тем, что в способе термообработки кристаллов германата висмута, включающем нагрев кристаллов со скоростью 75200 град/ч, - выдержку при нагреве и охлаждение со скоростью 50 — 100 град/ч до 930 + 30 С и далее до комнатной со скоростью 100.-200 град/ч в кислородсодержащей. атмосфере, согласно изобретению, термообработку

„.,5Q„„1828882 А1 (57) Изобретение относится к сцинтилляционной технике и обеспечивает увеличение светового выхода, улучшение энергетического разрешения и стабилизации сцинтилляциоHных парамеT ров кристаллов.

Термообработку ведут в замкнутом объеме в парах оксида висмута. взятого в количестве 3,3-5,3 гlм в следующем режиме: нагрев со скоростью 75 — 200 град/ч до 970 — 1030 С, выдержка при этой температуре 0,5 — 1,0 ч, охлаждение со скоростью 50-1ОО град/ч до

900-.960 С и далее до комнатной со скоростью .100.-200 град/ч. 2 табл, осуществляют в предварительно вакуумированном замкнутом .объеме, содержащем порошок триоксида висмута в количестве

3,3-5,3 гlм, а выдержку проводят при

1000 +. 30 С е течение 0,5 — 1,0 ч.

В процессе выращивания содержание

BizQa в расппаве отклоняется от стехиометрического в сторону уменьшения. Отклонение от стехиометрии — одна из причин увеличения оптического поглощения в кристалле подлине к его "хвостовой" части. Для величин стинцилляционных параметров сцинтилляторов, вырезанных иэ кристалла, характерен большой разброс, Так. сцинтиллляторы с линейными размерами 25х10х3 мм;имеют световой выход 11,2-16,3 $ (относйтельно NaJ(TI), а энергетическое разрешение 13,7-15.5 $, 1828882 триоксида висмута, В!20з — мелкодисперсный порошок с температурой плавления

730tСодержание BlzOz в рабочем объеме, достаточное для достижения оптимальных результатов, составляет 3,3-5,3 г/м . При з содержании В120з, меньших, чем 3,3 г/мз, 10 не .удается получать более качественные сцинтилляторы по сравнению со способомпрототипом. Введение же триоксида в количествах, больших чем 5,3 гlм, не приводит звлитина не только зэ счет процессов термо-. 20 диффузии и термодиссоциэции метастаr1Г способом-прототипом обеспечивает воздействие паров В120э и атомарного кислорода, частично образуемого в результате диссоциации оксида в условиях разреженной атмосферы. В результате улучшается прозрачность материала, а следовательно, и его сцинтилляционные параметры.

Наиболее эффективно указанные процессы идут при температуре, близкой к температуре плавления BCO — 1000 + 30 С.

Термообработка при более низких температурах (900 — 970 С) также позволяет достигать оптимальных сцинтилляционных параметров. Однако для этого требуется увеличение времени термовыдержки в 1,5-4 раза по сравнению с предложенным в формуле изобретения, что связано с дополниСтабилизация сцинтилляционных параметров сцинтилляторов на уровне, превосходящем лучшие исходные характеристики, достигается путем термообрвботки в среде к дальнейшему росту сцинтилляционного качества, Отжиг сцинтилляторов или их заготовок из кристаллов ВСО в среде триоксида висмута приводит к упорядочению структуры бильных фэз. Более глубокие процессы эалечивания дефектов (в том числе и вакансий висмута и кислорода) по сравнению со тельными энергозатратами. Выше 10300С сцинтилляторы портятся в результате подплавления и .-.липания.

Выдерх ка сцинтилляторов в течение

15-20 мин. как правило, если и приводит к улучшению сцинтилляционных параметров. но не в большей степени, чем в способе-r>ро>отипе. Увеличение времени до 1,5 — 1,0 ч позволяет перекрыть лучшие результаты способа-прототипа и получить, например, на сцинтилляторах размером 25х10х3 мм средний световой выход — 17.8 отн. / NeJPI) и среднее энергетическое разрешение—

12.9 Увеличение продолжительности выдержки более одного часа не влияет на значения средних сцинтилляционных характеристик.

55 е

В процессе поиска технических решений со сходными признаками (нагрев, выдержка при температуре и охлаждение кристаллов ВСО в кислородсодержащей среде) не были обнаружены решения, позволяющие использовать в качестве кислородаодержащей среды оксиды собственных компонентов, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает .существенными отличиями.

Предлагаемый способ включает следующие технологические операции: загрузку сцинтилляторов или их заготовок в кварцевые ампулы совместно с навесками порошка 8 20з; вакуумирование и запаивание ампул; помещение ампул в печь, их нагрев, вы- держку и охлаждение в указанных режимах:, выгрузK1> ампул. их вскрытие и извлечение сцинтилляторов.

Осуществляет следующим образом. Заготовки сцинтилляторов вырезают из монокрис>ал»а ВСО размером 25х10х3 мм и диаметром 40х40 мм. Поверхности сцинтил .ляторов шлифуют и полиру>от. Сцинтилляторы проходят измерения исходных величин сетевого выхода и энергетического разрешения согласно ГОСТ 17038-0--79 и ГОСТ

17038.7 79. Затем их помещают в ампулы иэ оптического кварца вместе с навесками порошка BizO;> квалификации "ос.ч." иэ расче.та 3,3 -5,3 г на 1 м объема ампулы. Ампулы

-з вакуумируют до остаточного давления 10 мм рт.ст., запаивают и помещают в электропечь сопротивления. Печь нагревают в режиме 75-200 град/ч. После достижения

1000 + 80" С температуру печи стабилизируют. В изотермическом режиме ампулы выдерживают 0,5-1.0 ч. Охлаждение печи осуществляют, как и в прототипе, сначала со скоростью 50-100 град/ч до 930 +. 30 С и далее со скоростью 100-200 град/ч. При комнатной температуре ампулы извлекают и вскрывают. Поверхности сцинтилляторов снова полируют, после чего проводят измерения сцинтилляционныx параметров.

Пример. Сцинтиллятор размером

25х10хЗ мм после оптико-механической обработки и измерений исходных величин сцинтилляционных параметров помещают в ампулу иэ оптического кварца совместно с порошкам триоксида висмута квалификации

"ос.ч," в количестве 4,6 г/м". Ампулу вакуу-э мируют до остаточного давления 10 мм рт.ст., запаива>от и помещают в электропечь сопротивления. Печь нагревают в режиме

100 град/ч. После достижения 970 С температуру стабилизируют и проводят выдержку при.этой температуре в течение 1 ч. Охлаж1828882 дают печь сначала со скоростью 75 град/ч до

900"С, затем со скоростью 200 град/ч до комнатной температуры. При комнатной температуре ампулу вскрывают. Извлеченный сцинтиллятор подвергают оптико-меха- 5 нической полировке и измеряют величины сцинтилляционных параметров. Световой выход составил до термообработки 14,1 отн. /, Ка J(TI), осле термообработки — 17,5 отн. NaJ(TI). Энергетическое разрешение 10 сцинтиллятора до термообработки 14,0,: после термообрабатки 12,5 >.

В табл. 1 приведены, условия проведения оптимальной термообработки согласно. предлагаемой формуле изобретения, а так- 15 же сравнительные данные сцинтилляционных параметров. Здесь же приведены примеры термообработки по способу-прототипу.

В табл. 2 представлены возможности 20 термообработки в запредельных режимах.

Всего. были проведены лабораторные испытания 30-ти сцинтилляторов и их заготовок. Из табл..1 видно, что для сцинтилляторов 25х20х3 мм предлагаемый способ 25 позволяет получать средние значения световыхода — 17,8 отн.% NaJ(TI) и энергетиче.ского разрешения — 12,9, в то время как прототип соответственно 16,0 отн. / Na J(TI) и 13,0, Для элементов диаметром 40х40 ЗО мм также наблюдается большая эффективность предлагаемого решения (световой выход 12,1 отн. NaJ(TI) и энергетическое разрешение 14,3 против соответствующих 10.6 отн.% NaJ(TI) и 15.1 /о по прототи- 35 пу).

Получаемые в предлагаемом техническом решении разбросы значений светового выхода — 3.3-4,5 и энергетического 40 разрешения — 2,8 —.3,9 % незначительны и позволяют унифицировать сцинтилляторы (уменьши гь разброс сцинтилляционных параметров) независимо от различного исходного качества кристаллического материала.

В предлагаемом техническом решении световой выход улучшается на 26 — 75, а энергетическое разрешение — на 10-35% по сравнению с исходными величинами.

Изобретение также обеспечивает повышение точности.сцинтилляцион ных измерений (т.е. уменьшение разбросов значений сцинтилляционных параметров) в 1,3 и 1,2 раза по сравнению с прототипом и а 7,0 и

2,7 раза по сравнению с исходными образцами для светоаога выхода и энергетического разрешения соответственно.

Кроме этого, в предлагаемом способе в два раза сокращается время термообработки. Оно составляет 0,5-1,0 ч, а в способепрототипе 0,5 — 2,0 ч. А также исключается операция пропускания через кристаллический материал электрического тока.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемой способ, несмотря на введение дополнительных операций вакуумирования и запаивания ампул, остается технологичным и позволяет получать стабильное высокое качество сцинтилляторов

ВСО.

Формула изобретения

Способ термообработки кристаллов германата висмута ВцбезО, включающий их нагрев со скоростью 75-200 град до 970—

1030 С; выдержку при этой температуре в течение 0 5-1,0 ч, охлаждение со скоростью

50-100 град/ч до 900 — 960 С и далее до комнатной температуры со скоростью 100 200 град/ч в. кислородсодержащей атмосфере, отличающийся тем, что, с целью увеличения светового выхода, улучшения энергетического разрешения и стабилизации сцинтилляционных параметров кристаллов. процесс ведут в замкнутом обьеме в парах оксида висмута ((II), взятого в количестве 3,3-5,3 г/м . з

1828882

Та блица 1

Сцин1илллцион»ь>е параметры

Ге оме т риче с к не размеры, мм

Услолил термпобработки

Е(оличеОремл, >> энергетическое ра з реше нив, световыход, отн. ство, r./ 3 исхОд полу ные ченисходные полученные ные

l4 5

11,8

12,6

1.3,8

l4,1

0,75

3,3

3,8

4,1

4,6

1000

17,5

13,0

17,8

1 030

Э70

1000

0,75

15 О

14,2

14,0

14,2

12,7

13,0

I7,9

1,00

l,00

17>5

l8,2

12,5

5,0

1,00

15,7

16,8

14,3

12,7

5,3

4,3

18,1

970

0,50

0,65

13,7

14,8

14,0

12,5

13,0

17>4

1020

15,0 . 18,0

6,6; 1!,9

5,0

l,00

12,9

14,6

I 4,5

14,2 .

5,3

1,00

IЭ,7 !

9,4

18 2

1030

4,5 1000

0,75

12,3

0,50

7,5

12,0

970

3,3

Сред- 25х25х3 нее 40х40

6,9

14,3 е,э

2,8

12>1

19,1

ЕЕ с

Э,О

7,7

32,0

14,5

Раз- 25х25х3

Орос,Ъ 40х40

3,3

Способ-про готип

980 2

1000 2

6,5 10,6

12,0 15,5

1 2, 2 I 6, 1

1 3, 5 1 6, 4

l 2, 8 1 6, 0

19,8 15,1

15,3 12,7

15,5 13,3.

l4,6 13,0

15,1 13,0

40х40

25х l Ох3

25х10х3

25х10х3

1010

0,5

l000

Сред- 25х10хЗ нее

Разброс,Ф

11,9 5,5 5,9 4,6

25х10х3

25х10х3

25xfOx3

25х10х3

25х10х3

25х10х3

25х10х3

25х10х3

:" 40x40

40х40

40х40

Сцинтилляцио>в>ые п,>рамо11>bl сцинтилллторов ОСО, подвергнутых оптимальной теЕх>еот>брабогке

1828882

Таблица2

Сцинтилляционные параметры сцинтилляторов ВСО, подвергнутых термообработке в запредельных ремимах

Условия .термообраГотки

Сцинтилляционные параметры

Геоме три че скне размеры, нм энергетическое раз руше ние, Ф световой выход,отн.т количе в реня, Ц ство, 7мз полученисход- полуисходные ченные

ые ные.0,3

25xlOx3

15,8 !!е годен

1040

3,0

Сцинтиллятор подплавил ся

16,4

12,5

15,4

12,6

13,2

13,6

2 г5

1030

0,3

95С

16,5

2,8. l3,3

14,6

0,25

16,7

13,3

800

3,о

l3,7

l 6,7!

3,3

2,0

1000

2,0

14 с!

3,0

17,0 г г

"ОС

I0Pn 1 О с

1, °

18 0!

2,5

16, 3

h,p

I, 0

12,6

15,5

1000

7,0

4.0!

4,1 12,9

16,0

18,1

6 С

14,3

19,2

16,7

13,0

I5,2

15,7

5,0

7СС

5,5

25х10х3 в 40х40

3,"6,9, 11,9

6, О

1040

gl .40х40

g 40x40

40х40

7,4

2,С

12,4

14,9

15,4

15,0

15,4

18,5

90Ñ

2,0

2,0

6,5

19,3

20,0

10,5

2,5

11,6

6,.О

6, О

2,0

950

5,0

10,8

6.,6

19,2

8СО

g 40x40

5,5

14,5 17,1 14,7 13,0

Среднее 25хlОх3

40х4О

11,4

IС,5

14,0

6,6.26, О

15,!

8,5

19,2

11,6

Разброс,Ф 25xlpx3

40х40

7,8

3,3

2О

Редактор

Ти аж Подписное

Заказ 2468 Тир ж тиям и и ГКНТ СССР

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Ф

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина, 101

25xlOx3

25х10х3

25хl Ох3

25х10х3

25хlОх3

25х!Сх3

25xlOx3

25xl0x3

15,0

15,8

15,"

14,С

I3,7

I4,0

Составитель А.Сквиренко

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н. Милюкова