專利名稱：真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用改進后的坩堝下降法一真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉 (NaI(Tl))單晶體的新工藝技術(shù)，特別是涉及工業(yè)化生長摻鉈碘化鈉單晶體的工藝技術(shù)，屬 于碘化鈉晶體的單晶生長領域。
背景技術(shù)：
摻鉈碘化鈉(NaI (Tl))單晶體是高能物理領域中常用的閃爍體材料，在目前通用 的生長工藝中，無論提拉法或坩堝下降法，常用的坩堝為氧化鋁坩堝或鉬金坩堝，由于坩堝 中的原料沒與坩堝外部的環(huán)境完全隔絕，在晶體生長過程中，碘化鈉中摻入的碘化鉈在熔 融狀態(tài)下會揮發(fā)出來，所以可能污染環(huán)境并影響工作人員的身體健康。另外，在晶體生長過 程中坩堝里的原料也有可能受坩堝外部環(huán)境污染，影響所生長晶體的性能。因此能否在不 顯著增加成本的前提下，用坩堝下降法生長出既不污染環(huán)境、又能滿足晶體性能要求的摻 鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體，是人們一直關注而又渴望解決的工藝技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明采用了一種新的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化 鈉(NaI(Tl))單晶體的工藝技術(shù)，步驟包括坩堝處理、原料處理和常規(guī)晶體生長工藝，在坩 堝處理過程中，采用底部為錐形的石英坩堝，在石英坩堝內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā) 生化學反應的物質(zhì)；在原料處理過程中，首先處理所述石英坩堝內(nèi)部未摻入碘化鉈原料的 碘化鈉原料，對所述碘化鈉原料進行抽真空和熱處理，在保持真空度優(yōu)于5 X 10_3Pa的狀態(tài) 下逐步升溫到300°C，然后恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于5X ICT3Pa的 真空度，之后停止熱處理并在保持真空度不變的情況下降至室溫；其次，在上述步驟后向所 述石英坩堝內(nèi)部加入摻雜原料碘化鉈，進行二次抽真空和熱處理，在真空度達到3 X IO-3Pa 后，逐步升溫至200°C并恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于3X ICT3Pa的真 空度，在此狀態(tài)下對石英坩堝封口處理。通過上述坩堝處理和原料處理后，可以將摻鉈碘化鈉生長所需的全部材料封閉在 所述的真空石英坩堝中，這樣在后續(xù)高溫下生長摻鉈碘化鈉晶體的過程中，鉈就不會再揮 發(fā)出來污染環(huán)境并危害周圍操作人員的健康，同時由于在原料處理過程中使用了抽真空和 熱處理措施，所以有效的保證甚至提高了所生長晶體的性能。


附圖1為內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學反應物質(zhì)的石英坩堝縱切面示 意圖。其中1為石英坩堝，2為石墨坩堝，3為原料，4為石英坩堝口，5為石英坩堝底部縱 切面的錐角。
具體實施例方式結(jié)合圖1詳細說明本發(fā)明生長摻鉈碘化鈉(NaI (Tl))單晶體的步驟。首先，選用底部為圓錐形的石英坩堝1，底部縱切面的錐角5為90° 120°之間 的任一角度，在錐角5小于90°的時候，雖然也有利于摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體的生 長，但是由于角度較小，會浪費其晶體的生長空間；在錐角5大于120°的時候，不利于摻鉈 碘化鈉(NaI(Tl))的單晶生長，所以錐角5處于90° 120°之間時較適合生長摻鉈碘化 鈉(NaI(Tl))單晶體。該石英坩堝1的內(nèi)部襯有一石墨坩堝2，石墨坩堝2的圓錐形底部完 全貼合于石英坩堝1的圓錐形底部，而石墨坩堝2的側(cè)壁與石英坩堝的側(cè)壁保留一定的空 隙，該空隙為0. 4mm 0. 6mm之間，此空隙的作用是在摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體高溫生 長過程中給石墨坩堝2預留一定的膨脹余量。內(nèi)襯石墨坩堝2的作用是為了隔絕高溫下石 英坩堝1與摻鉈碘化鈉的熔體，避免石英坩堝1與摻鉈碘化鈉的熔體發(fā)生化學反應而最后 造成生長的晶體碎裂。具體的說，如果石英坩堝1直接與摻鉈碘化鈉的熔體接觸時會發(fā)生 化學反應，進而在摻鉈碘化鈉熔體結(jié)晶過程中與石英坩堝1的內(nèi)壁粘連，當摻鉈碘化鈉晶 體溫度降低時，由于石英材料本身的熱膨脹系數(shù)比摻鉈碘化鈉晶體的熱膨脹系數(shù)小一個數(shù) 量級，而且摻鉈碘化鈉晶體具有易解理的特性，在熱膨脹系數(shù)差異造成的應力作用下，即使 結(jié)晶完好的摻鉈碘化鈉晶體也會碎裂。石墨坩堝2與摻鉈碘化鈉的熔體在真空條件下不會 發(fā)生化學反應，所以有效的解決了晶體碎裂的問題。然后，從石英坩堝口 4向坩堝中加入不包括碘化鉈原料的碘化鈉原料，進行抽真 空和熱處理，其作用是去除原料中殘存的可揮發(fā)成份和一些雜質(zhì)，比如排除水蒸氣，水蒸氣 會使晶體生長的原料氧化，進而影響晶體的性能。抽真空與熱處理同時進行，在保持真空 度優(yōu)于5X10_3Pa的狀態(tài)下逐步升溫到300°C。其作用是避免原料與空氣中的氧發(fā)生氧化 反應，之后在300°C處恒溫至少8個小時，恒溫過程中的真空度仍要保持優(yōu)于5X10_3Pa， 以使雜質(zhì)充分揮發(fā)，恒溫8個小時后停止熱處理并降溫至室溫，此時真空度仍然保持優(yōu)于 5 X ICT3Pa。之后，從石英坩堝口 4向坩堝中加入含有碘化鉈的原料，至此生長摻鉈碘化鈉晶 體所需的原料3齊全，進行第二次抽真空和熱處理，在真空度達到3 X IO-3Pa后，逐步升溫至 200°C并恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于3 X ICT3Pa的真空度，在此狀態(tài)下 對石英坩堝口 4進行熔封，熔封的方法可采用乙炔火焰加熱后熔封，至此石英坩堝1成為真 空封閉的石英坩堝。最后，將真空封閉的石英坩堝1放入晶體生長爐中，用本技術(shù)領域公知的坩堝下 降法生長摻鉈碘化鈉晶體，直至晶體生長完成后退火、取出晶體。由于石英坩堝1中內(nèi)襯的 石墨坩堝2不和摻鉈碘化鈉的熔體反應，所以長成的摻鉈碘化鈉晶體很容易從坩堝中倒出 來，晶體拿取方便。下面給出兩個具體的實施例說明摻鉈碘化鈉晶體的生長過程。實施例一1)將內(nèi)徑90mmX長度240mm，厚度2. 5mm，底部帶120°錐角的石墨坩堝2封到內(nèi) 經(jīng)96mmX長度550mm，底部帶120°錐角的石英坩堝1中；2)將2Kg純度等于或高于99%的NaI粉末原料添入石墨坩堝2里，將坩堝抽真空 至5xlO_3Pa，并保持這個真空度，加熱至300°C，恒溫8個小時后，保持5 X 10_3Pa的真空度冷卻至室溫。3)將4g純度等于或高于99. 99%的TlI粉料添加到石墨坩堝2中，再將坩堝抽真 空至1 X IO-3Pa,并保持這個真空度，加熱至200°C并恒溫8個小時后，將石英坩堝口 4熔封。4)將熔封的石英坩堝1放到晶體生長爐中，置于通水冷卻的支撐桿上，升溫至 750°C使原料充分熔化，再以溫度梯度20-30°C /cm，下降速率0. 5mm/hr，下拉坩堝150mm。5)以10°C /hr的速率降溫至室溫取出晶體，可得直徑達89mmX長度IOOmm的摻 鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體。實施例二1)將內(nèi)徑51mmX長度240mm，厚度2mm，底部帶90°錐角的石墨坩堝2封到內(nèi)徑 56mmX長度550mm，底部帶90°錐角的石英坩堝1里。 2)將0. SKg純度等于或高于99 %的NaI粉末原料添入石墨坩堝2里，將坩堝抽真 空至5X10_3Pa，并保持這個真空度，加熱至300°C，恒溫8個小時后，保持5X10_3Pa的真空 度冷卻至室溫。3)將1. 6g純度等于或高于99. 99%的TlI粉料添加到石墨坩堝中，再將坩堝抽真 空至3 X IO-3Pa,并保持這個真空度，加熱至200°C并恒溫8個小時后，將石英坩堝口 4熔封。4)將密封的石英坩堝1放到晶體生長爐中，置于通水冷卻的支撐桿上，升溫至 750°C使原料熔化，再以溫度梯度20-30°C /cm，下降速率1. Omm/hr，下拉坩堝150mm。5)以10°C /hr的速率降溫至室溫取出晶體，可得直徑達50mmX長度IOOmm的摻 鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體。實際，本發(fā)明的實施并不局限于上述舉例。比如，在石英坩堝1中內(nèi)襯的物質(zhì)只要在高溫下不與摻鉈碘化鈉的熔體發(fā)生化學反應，即可解決摻鉈碘化鈉晶體在生長過程中因與石英坩堝1的粘連而造成晶體碎裂的問 題，這類物質(zhì)除了上述實施例所述的石墨坩堝2外，還可以是鉬金坩堝；也可以在石英坩堝 1內(nèi)部不內(nèi)襯任何坩堝，而是在石英坩堝1的內(nèi)壁均勻鍍一層碳膜，這些都可以解決摻鉈碘 化鈉晶體因粘連而發(fā)生碎裂的問題。石英坩堝和內(nèi)襯物質(zhì)的尺寸視所需生長的晶體尺寸而定。
權(quán)利要求
一種真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，步驟包括坩堝處理、原料處理和常規(guī)晶體生長工藝，其特征在于(1)采用底部為錐形的石英坩堝，所述石英坩堝內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學反應的物質(zhì)；(2)向所述石英坩堝內(nèi)部加入不含碘化鉈原料的碘化鈉原料，對所述碘化鈉原料進行抽真空和熱處理，在保持真空度優(yōu)于5×10-3Pa的狀態(tài)下逐步升溫到300℃，然后恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于5×10-3Pa的真空度，之后停止熱處理并在保持真空度不變的情況下降至室溫；(3)在上述步驟后向所述石英坩堝內(nèi)部加入摻雜原料碘化鉈，并進行抽真空和熱處理，在真空度達到3×10-3Pa后，逐步升溫至200℃并恒溫至少8個小時以上，恒溫過程中仍然保持優(yōu)于3×10-3Pa的真空度，在此狀態(tài)下對所述石英坩堝進行封口處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，其特 征在于所述石英坩堝內(nèi)部襯有的與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學反應的物質(zhì)為 石墨坩堝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，其特 征在于所述石英坩堝底部錐形縱切面的錐角為90° 120°之間的任一角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體的方法，其特 征在于所述石英坩堝與所述石墨坩堝的內(nèi)壁間距為0. 4mm 0. 6mm之間。
全文摘要
本發(fā)明為真空封閉式坩堝下降法生長摻鉈碘化鈉(NaI(Tl))單晶體的新工藝技術(shù)，屬于碘化鈉晶體的單晶生長領域。在內(nèi)部襯有與摻鉈碘化鈉熔體不發(fā)生化學反應的物質(zhì)、且底部為錐形的石英坩堝內(nèi)加入碘化鈉原料，在真空度優(yōu)于5×10-3Pa的狀態(tài)下進行熱處理，逐步升溫到300℃后恒溫至少8個小時，在真空度保持不變的情況下降至室溫；之后向所述石英坩堝內(nèi)部加入摻雜原料碘化鉈，進行二次抽真空和熱處理，直至達到真空度優(yōu)于3×10-3Pa并且溫度為200℃的狀態(tài)，在此狀態(tài)下恒溫至少8個小時，并對石英坩堝口進行封口處理，之后按照本技術(shù)領域公知的下降法生長摻鉈碘化鈉單晶體。
文檔編號C30B11/00GK101824646SQ20091007894
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者張紅武, 黃朝恩 申請人:北京濱松光子技術(shù)股份有限公司