Оптический материал для регистрации черенковского излучения

Реферат

 

Сущность изобретения: радиационностойкий (106 рад) оптический неорганический материал с низкой температурой плавления (750 5)oС и высокой твердостью 133 - 156 кг/мм2, который можно применять для регистрации черенковского излучения. Монокристаллический материал представляет собой твердый раствор на основе PbF2 с стабилизированной путем введения CdF2 высокотемпературной кубической модификацией и соответствующий эмпирической формуле Pb1-x CdxF2; где 0,030x0,34. Монокристаллы указанных составов выращены методом Бриджмена-Стокбаргера в графических тиглях в инертной атмосфере. 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к оптическим материалам, используемым для регистрации -квантов и электронов в физике высоких энергий.

В системах регистрации -квантов и электронов на ускорителях нового поколения YHK, LHC, SSC применяются, в частности оптические материалы, в которых возникает черенковское излучение (т.н. черенковские радиаторы), к которым со стороны физики высоких энергий выдвигаются следующие требования: высокая поглощающая способность (плотность выше 5,5-6,5 г/см3), радиационная стойкость не менее 106 рад, твердость не менее 80 кг/мм2, технологоичность производства и обработки, дешевизна исходного сырья, хорошее оптическое качество.

Ближайшим техническим решением по составу и свойствам к предлагаемому материалу является фторид свинца PbF2.

Однако, этот материал имеет ряд недостатков, к главным из которых относятся низкая радиационная стойкость 105 рад, низкая твердость (25,39 0,73) кг/мм2 по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг на грани (111), отчетливо выраженная спайность.

Серьезным обстоятельством является также наличие полиморфного превращения в интервале 375-415оС. Частичный переход высокотемпературной кубической -модификации (структурный тип CaF2) в низкотемпературную ромбическую -модификацию (структурный тип PbCl2) отмечается при выращивании кристаллов из расплава как результат отжига при определенных термических условиях. При этом возникает сильное поглощение и рассеяние света на включениях низкотемпературной фазы, что затрудняет производство кристаллов высокого качества.

Цель изобретения увеличение радиационной стойкости до 106 рад, понижение температуры плавления от 825 до (7505)оС, увеличение твердости с (25,390,73) кг/мм2 до 133-156 кг/мм2 по Виккерсу, улучшение оптических качеств материала путем стабилизации высокотемпературной кубической -модификации PbF2 добавлением фторида кадмия.

Цель достигается тем, что оптический материал для регистрации -квантов и электронов в физике высоких энергий получается из твердого раствора Pb1-x CoxF2 с 0,30X0,34, соответствующего интервалу вблизи состава точки минимума на диаграмме плавкости, с температурой плавления равной (750 + 5)oС. Очень пологий ликвидус в области минимума позволяет выращивать кристаллы стабилизированной высокотемпературной кубической модификации хорошего оптического качества с однородным распределением компонентов по длине.

На фиг. 1 представлена штрих-диаграмма кристалла PbF2 с примесью орторомбической низкотемпературной -модификации; на фиг.2 штрих-диаграмма кристалла состава Pb0,67Cd0,33F2; на фиг.3 диаграмма состояния CdF2-PbF2; на фиг. 4 микрофотография кристалла Pb0,67Cd0,33F2, в котором нет ячеек (увеличение х16); на фиг.5 микрофотография кристалла состава Pb0,60Cd0,40F2 (увеличение х16); на фиг.6 микрофотография кристалла Pb0,74Cd0,26F2, имеющего ячеистую структуру (увеличение х 16); на фиг.7 зависимость твердости кристалла от его состава по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг/мм2.

Монокристаллы указанных составов выращивают методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в графитовой печи сопротивления в атмосфере гелия. Тигель опускается из горячей зоны в холодную со скоростью 3-12 мм/ч. Для кристаллизации используют реактивы марки ОСЧ.

Предлагаемые кристаллы Pb1-xCdxF2, где 0,30 X0,34 принадлежат к кубической сингонии (пространственная группа Fm 3m).

Сравнительные характеристики свойства монокристаллов PbF2 и состава точки минимума Pb0,67Cd0,33F2 приведены в таблице.

Из приведенной таблицы видно, что для кристалла Pb1-xCdxF2(0,30X0,34) по сравнению с PbF2 достигаются следующие эффекты: повышается радиационная устойчивость с 105 рад для чистого PbF2 до 106рад, плотность снижается до 7,44 г/см3, но остается значительно выше минимально необходимой для черенковского радиатора, твердость возрастает от (25,39 + 0,73) до (146,2 + 7,6) кг/мм2, введение CdF2 приводит к исчезновению спайности по (111), что существенно упрощает механическую обработку материала, температура плавления понижается от (8255)оС для PbF2 до (7505)оС для состава точки минимума, что делает материал более технологичным для выращивания кристаллов, при идентичных с PF2 условиях выращивания в Pb1-xCdxF2 (0,30 X0,34) происходит стабилизация высокотемпературной кубической (флюоритовой) модификации, что обеспечивает однородность по составу и как следствие высокое оптическое качество монокристаллов.

Использование составов твердых растворов Pb1-xCdxF2, где Х < 0,30 или Х > 0,34 нецелесообразно, поскольку изменения в сторону увеличения или уменьшения содержания CdF2 приводят к неравномерному распределению компонентов по длине кристаллов, появлению ячеек, а следовательно, и ухудшению оптических качеств кристалла, нестабильности физических свойств в различных частях кристалла, повышению температуры плавления, уменьшению твердости материала и т.д.

Таким образом, оптимальными являются составы Pb1-xCdxF2, где 0,30X0,34 имеющие радиационную стойкость 106 рад, температуру плавления (750 + 5)оС, твердость 133-156 кг/мм2, стабилизированную изоморфными замещениями флюоритовую структуpу и не имеющие плоскостей спайности, что позволяет рассматривать предлагаемый материал сложного химического состава как заменитель PbF2 для радиаторов черенковского излучения на установках типа YHK, LHC,SSC, обладающий эксплуатационными характеpистиками.

П р и м е р 1. Для выращивания монокристалла состава точки минимума Pb0,67Cd0,33F2 берут реактивы PbF2 и CdF2 марки ОСЧ. Шихту состава Pb0,67Cd0,33F2 загружают в графитовый тигель с диаметром ячейки 30 мм, помещают в графитовую печь сопротивления, нагревают в атмосфере гелия до (76515)оС, при этой температуре выдерживают расплав в течение 1 ч, затем выводят тигель в холодную зону со скоростью 3 мм/ч. Получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 100 мм, хорошего оптического качества (фиг.4) со стабилизированной высокотемпературной кубической (флюоритовой) структурой (фиг.2) с равномерным распределением компонентов по длине (состав начала и конца кристалла одинаков и соответствует составу шихты), имеющий радиационную стойкость 106 рад, радиационную длину 1,07 см, плотность 7,45 г/см3, твердость (146,27,6) кг/мм2 по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг/мм (фиг.7), температуру плавления (750 5)оС, не имеющий четко выраженных плоскостей спайности.

П р и м е р 2. Монокристалл состава Pb0,70Cd0,30F2 получают в аналогичных (см. пример 1) условиях, но скорость опускания тигля составляет 12 мм/ч. Получают кристаллы диаметром 30 мм, высотой 75 мм хорошего оптического качества со стабилизированной высокотемпературной кубической фазой, с равномерным распределением компонентов по длине, имеющий твердость (135 + 4) кг/м2 (фиг.7) температуру плавления (750 5)оС, не имеющий четко выраженных плоскостей спайности.

П р и м е р 3. Монокристалл состава Pb0,66Cd0,34F2 получают в аналогичных условиях (см. пример 1), но со скоростью опускания 5 мм/ч. Получают кристалл диаметром 30 мм, высотой 80 мм, хорошего оптического качества со стабилизированной высокотемпературной кубической фазой, с равномерным распределением компонентов по длине кристалла, имеющий твердость (156 4) кг/мм2 (фиг. 7), температуру плавления (750 5)оС, но не имеющий плоскостей спайности.

П р и м е р 4. Из шихты состава Pb0,60Cd0,40F2 в аналогичных (см. пример 1) условиях со скоростью протяжки тигля 5 мм/ч получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 75 мм, имеющий неоднородное распределение компонентов по длине и ярко выраженную ячеистость (фиг.5), сильно ухудшающую оптическое качество. Твердость составляет (163,83 6,68) (174,36 6,96) кг/мм2 (фиг.4), плотность 7,45-7,475 г/см3.

П р и м е р 5. Из шихты состава Pb0,74Cd0,26F2 в аналогичных (см. пример 1) условиях со скоростью протяжки тигля 5 мм/ч получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 76 мм, имеющий неоднородное распределение компонентов по длине и ярко выраженную ячеистость (фиг.6), сильно ухудшающую оптические качества материала. Твердость составляет (110,552,8) (1343,7) кг/мм2 (фиг. 7).

Из примеров 1-3 видно, что кристаллы составов Pb1-xCdxF2, где 0,30X0,34, отличаются от составов с X < 0,30 и Х > 0,34 (см. примеры 4 и 5) тем, что имеют более низкую температуру плавления, постоянный состав, плотность и твердость по длине кристалла, а также в них отсутствует ячеистая структура. Перечисленные факторы улучшают рабочие характеристики черенковских радиаторов.

Формула изобретения

Оптический материал для регистрации черенковского излучения на основе PbF2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 30 34 мол. CdF2 с образованием твердого раствора Pb1-x CdxF2 (0,30 x 0,34) кубической модификации без включений второй фазы, имеющего радиационную стойкость до 106 рад, температуру плавления 750 + 5oС и твердость 135 156 кг/мм2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8