[发明专利]非真空下降法多坩埚生长掺铊碘化铯晶体的工艺技术

说明书

本发明涉及用改进后的下降法一炉多坩埚生长高质量掺铊碘化铯(CsI(T1))晶体的新工艺技术，特别是工业化生长高质量、大尺寸CsI(T1)晶体的新工艺。属于碘化铯晶体生长领域。

近年来高能物理领域常把CsI(T1)晶体作为电磁量能器中的闪烁材料。虽然国外已经生长出直径为9cm，长度为35cm的CsI(T1)晶体。通常采用的方法有：(1)提拉法；(2)泡生法；(3)籽晶定向区熔下降法以及(4)下降法。所有这几种方法共同特点是在真空条件下生长CsI(T1)晶体，生长晶体用的坩埚均为石英坩埚，为生长质量好的晶体往往使用保护气氛。以真空下降法为例，使用石英坩埚，采用真空和化学反应方法处理原料以去除原料中的氢氧根，用表面涂层等方法解决晶体生长过程中因CsI(T1)晶体与石英坩埚粘连而导致晶体开裂。该方法对设备要求高而且原料处理技术也复杂。不仅如此，掺T1的碘化铯，在晶体生长过程易于产生包裹物，使晶体着色；且T1I比CsI的化学结合力弱得多，如有氧存在T1I易于分介为T1的氧化物和I O3-化合物，对晶体的闪烁生能，尤其是抗辐照性能产生严重影响。

因此能否在大气气氛下用坩埚下降法生长CsI(T1)晶体成为人们一直关注的而又渴望解决的工艺技术，而且使生长出的CsI(T1)晶体不仅抗光伤能力较纯CsI强而且又可以一炉中采用多坩埚生长适合工业化量产需要。

本发明的目的在于提供一种在大气气氛下用下降法生长大尺寸CsI(T1)晶体而且抗光伤能力好且在一炉中用同时生长多根的工艺技术，这些工艺技术包括铂坩埚使用，脱氧剂的加入，多坩埚生长炉的设计以及水冷却棒的使用。

本发明使用的原料为纯度达99．99％的CsI(T1)颗粒预混合料，并每百克加入10-500ppm的脱氧剂，经200℃真空烘干脱OH-后保存在干燥的容器中备用。合适脱氧剂的加入既可除去生长环境进入熔体中的氧也可排除熔体中的痕量金属杂质离子，使生长出晶体的抗辐照损伤能力大大提高。这些在先前申请的专利中均有描述(90102951．3、90102828．2以及93112391．7)。适合本发明使用的脱氧剂有碘化物如CHI₃、C₃H₅I；硼酸盐如Li₂B₄O₇，Na₂B₂O₄以及硅酸盐如Na₂SiO₃、K₂SiO₃。图1给出了使用与未使用脱氧剂生长的晶体抗辐照损伤能力的变化。横座标为辐照剂量(rad)，纵座标为相对光产额。曲线1为添加脱氧剂生长的晶体抗辐照曲线；曲线2是无脱氧剂生长的晶体抗辐照曲线。显然添加脱氧剂的生长出的晶体抗辐照能力大为提高。

本发明的第二个特点是采用铂作为坩埚材料，利用铂的延展性，减少了由于坩埚热胀冷缩所引起的晶体内应力，减少晶体开裂的危险性，从而提高生长出晶体的加工成品率。此外，使用铂坩埚还能很方便使用晶种，从而提高晶体的单晶化程度。铂坩埚的制备过程与要求在94112210．7申请中已描述。

本发明的第三个特点是采用特殊设计的生长炉和引下装置，其结构如图2所示。图中1为保护管，2为生长晶体用铂坩埚，3为加热生长炉用硅碳棒，4为隔热板，5为冷却棒，6为下降机构，7为测温热电偶，8为冷却水，9为控温热电偶，10为保温材料。一炉多坩埚生长炉的温度用JWT-702控温仪控制，保温材料10为氧化铝泡沫砖，保护管1用于保护铂坩埚，作为生长用铂坩埚可以是单层或双层，平底长方体坩埚、园坩埚，随生长晶体形状而异，壁厚为0．12-0．20mm，一炉坩埚数可介于5-20只之间，引下装置中冷却棒5是用通水冷却以便调节结晶潜热的散发和控制固-液界面。