[发明专利]下降法生长大尺寸碘化铯(CsI)晶体新技术

说明书

本发明是关于下降法生长大尺寸优质碘化铯晶体的新技术，特别是涉及大批量工业化生长大尺寸优质碘化铯(CsI)晶体的新技术。属於晶体生长领域。

早在60年代已发现CsI:Tl有光输出高[～85％NaI:Tl]，不易潮解及光发射峰(550nm)与光电二极管的灵敏区匹配好等优点。但由于其时间衰减常数(1050ns)比NaI:Tl(230ns)长及价格贵等弱点，没有象NaI:Tl那样得到足够发展和应用，但自1987年Kubota等人发现纯CsI在320nm具有快的光发射分量(～10ns)以来，纯CsI被公认为是一个非常好的闪烁晶体，近几年在高能物理领域中把它作为重要的电磁量能器来考虑。

国外已生长出直径9cm、长35cm的CsI:Tl晶体。该方法主要使用Bridgman-Stockbarger下降法生长大尺寸CsI晶体，用石英坩埚，采用真空和化学反应方法处理原料以脱去OH^-，防止了CsI:Tl的潮解，同时，采用特殊技术防止在晶体生长过程中可能发生的开裂。

生长大尺寸CsI和CsI:Tl(下面总称为CsI)晶体的关键是解决石英坩埚开裂和晶体开裂问题。其原因主要是由于CsI晶体的热膨胀系数较大，为50×10^-6/℃(20℃-50℃)，熔态时与坩埚粘着力大，所以当晶体冷却到室温时，会产生石英坩埚拉裂或晶体开裂现象，如晶体不开裂，但由于内应力过大晶体也经受不住切割或研磨而开裂。晶体开裂的另一个原因是由于存在多晶现象。在石英坩埚中生长出的大尺寸CsI晶体基本上是多晶，再加上生长过程中的应力使大尺寸晶体更容易开裂，进入工业化大批量生产的CsI晶体会带来晶体成品率，即生长成本问题以及环境保护与人身安全问题。因为CsI:Tl晶体中Tl是剧毒物质，一根大晶体中掺Tl约为4克，一旦石英坩埚开裂就会散布到环境中，而Tl对人的致死量为0.2克。所以在大批量生长CsI:Tl晶体中，要绝对注意安全，除了采取必要防护措施外还要防止Tl溢出。

本发明以生长尺寸为55×55×350mm的CsI大晶体为目的，针对石英坩埚生长大尺寸CsI晶体存在的问题，使用铂坩埚，采用化学反应生长气氛和定向结晶的方法，在通常的下降炉内生长上述尺寸晶体。

本发明的技术内容包括：原料，坩埚，生长设备和生长条件四部分。

1．原料：

原料采用纯度为99.99％的CsI颗粒料，并在80℃脱OH后，经烘干、干燥后保存在塑料筒内。

2．坩埚：

晶体生长选用金属铂(Pt)做为坩埚材料。铂经熔炼、压片，加工成所需晶体尺寸形状的单层或双层有底坩埚，高度一般比所需晶体长度高出五分之二左右。采用薄壁铂坩埚，一次性使用，厚度一般在0.12-0.20mm之间，取决于所需生长的晶体体积。坩埚使用前须经严格检漏措施，使用时处在密封状态。

3．炉子结构：

炉子的内衬材料为氧化铝泡沫砖，使用四根硅碳棒加热。用小电机带动变速装置实现可调节的恒定速率下降。控温采用铂-铑热电偶，用JWT-702精密控制炉子温度，同时用铂-铑热电偶监视坩埚中的结晶情况。在炉子底部设置由硅碳棒组成的辅助加热器。

4．生长条件：

CsI的熔点为621℃，熔料温度660-700℃，熔料时间约4小时，炉内生长温度梯度约为30℃，生长速度1.5-3.5mm/小时。采用晶种与无晶种自由结晶生长二种方法。停炉时降温速率约20℃/小时。以微量含碘气体(HI,CI₄)作生长气氛。

由于本发明采用铂做坩埚材料，所以坩埚绝对不会开裂，而且由于CsI对Pt无腐蚀性，并且生长速度快，Pt的周转也快，成本反而比用石英坩埚低。从而既节约了坩埚与原料的成本又保证了环境安全。当坩埚的壁厚选得适当时可大大降低生长的晶体应力。使用铂坩埚易于实现定向生长大尺寸CsI晶体。

定向生长出的大尺寸CsI晶体可使晶体中的缺陷减到最少，从而使纯CsI中的快慢分量比加大，使不稳定的慢成分减到最小，同时晶体的单晶化程度提高，大大减少由于多晶而引起的开裂。

使用本发明生长大尺寸CsI晶体可达到：(1)工艺简便；(2)成品率高；(3)成本低；(4)性能好；(5)安全系数高和(6)适合于大批量生产的目的。

本发明适用于生长高能物理中电磁量能器用的大尺寸CsI晶体及医用PET(正电子发射层析扫描仪)、探矿等所需的各种小尺寸CsI晶体。