Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ВОЛЬФРАМАТА НАТРИЯ-ВИСМУТА

Изобретение относится к области выращивания кристаллов из расплава. Вольфрамат натрия висмута NaBi(WO₄)₂ - перспективный материал для Черенковских детекторов.

Известен способ получения кристаллов NaBi(WO₄)₂ методом Чохральского [E.G.Devitsin, V.A.Kozlov, V.A.Nefedov, A.R.Terkulov, B.I.Zadneprovski. Colorless NaBi(WO₄)₂: In Cherenkov Crystals for Electromagnetic Calorimetry. Научно-информационный журнал «ЭЛЛФИ», 2003, выпуск 5, №28, с.1-14] - прототип, в котором кристаллы выращивают в воздушной среде, из платиновых тиглей, со скоростью вытягивания 4-5 мм/час при скорости вращения 30-32 мин^-1. По этому способу получены нелегированные кристаллы NaBi(WO₄)₂, а также кристаллы, легированные индием.

Основной недостаток способа-прототипа состоит в том, что нелегированные кристаллы NaBi(WO₄)₂ практически непрозрачны в диапазоне длин волн 352-380 нм, что снижает эффективность их применения в Черенковских детекторах. При выращивании кристаллов по способу-прототипу, для обеспечения прозрачности в указанном диапазоне, NaBi(WO₄)₂ необходимо легировать индием, что усложняет процесс.

На Фиг.1 представлены опубликованные авторами способа-прототипа [E.G.Devitsin, V.A.Kozlov, V.A.Nefedov, A.R.Terkulov, B.I.Zadneprovski. Colorless NaBi(WO₄)₂: In Cherenkov Crystals for Electromagnetic Calorimetry. Научно-информационный журнал «ЭЛЛФИ», 2003, выпуск 5, №28, с.1-14] спектры светопропускания нелегированного NaBi(WO₄)₂, а также кристалла, легированного индием. Из спектров на Фиг.1 видно, что нелегированный кристалл NaBi(WO₄)₂ прозрачен в видимом диапазоне начиная с длины волны 380 нм, а легированный индием - начиная с длины волны 352 нм.

Задачей данного изобретения является упрощение процесса получения кристаллов NaBi(WO₄)₂, прозрачных в диапазоне длин волн 352-380 нм.

Эта задача решается в предлагаемом способе в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 4-5 мм/час за счет выращивания нелегированных кристаллов NaBi(WO₄)₂ со скоростью вращения 15-19 мин^-1.

На фиг.2 показаны кристалл NaBi(WO₄)₂, выращенный по предлагаемому способу (слева), и заготовка твердотельного элемента Черепковского детектора из такого кристалла (справа).

На фиг.3 представлен спектр светопропускания кристалла NaBi(WO₄)₂, выращенного по предлагаемому способу. Видно, что материал прозрачен в видимом диапазоне начиная с волнового числа 28400 см^-1, что соответствует длине волны 352 нм.

Таким образом, получен нелегированный NaBi(WO₄)₂, прозрачный в диапазоне длин волн 352-380 нм.

Достигнутый результат может быть объяснен следующим образом. При выращивании NaBi(WO₄)₂ с высокими скоростями вытягивания и вращения, в кристаллах, как правильно отмечено авторами способа-прототипа, образуются точечные дефекты, а именно вакансии вольфрама и атомы висмута, занимающие места атомов натрия в решетке (см. [E.G.Devitsin, V.A.Kozlov, V.A.Nefedov, A.R.Terkulov, B.I.Zadneprovski. Colorless NaBi(WO₄)₂: In Cherenkov Crystals for Electromagnetic Calorimetry. Научно-информационный журнал «ЭЛЛФИ», 2003, выпуск 5, №28, с.4]). Эти дефекты обуславливают появление глубоких энергетических уровней в запрещенной зоне NaBi(WO₄)₂, вызывающих интенсивное поглощение света в диапазоне длин волн 350-420 нм и, как следствие, непрозрачность кристаллов в диапазоне длин волн 352-380 нм. В способе-прототипе прозрачность кристаллов в диапазоне длин волн 352-380 нм достигается за счет компенсации глубоких уровней при введении примеси индия. В предлагаемом способе, за счет снижения скорости вращения кристалла, существенно снижается концентрация точечных дефектов в NaBi(WO₄)₂, что позволяет получать нелегированные кристаллы, прозрачные в диапазоне длин волн 352-380 нм. Исключение легирования упрощает технологический процесс.

Предлагаемый интервал скорости вращения выбран экспериментально. При скорости выше 19 мин^-1 значительно возрастает концентрация точечных дефектов в кристаллах, и, как следствие, NaBi(WO₄)₂ интенсивно поглощает свет с длинами волн 352-380 нм. При скоростях вращения ниже 15 мин^-1 выращивание качественного NaBi(WO₄)₂ неосуществимо, так как в этом случае механизм роста сменяется на дендритный и в кристаллах образуется множество структурных макродефектов, что делает невозможным применение NaBi(WO₄)₂ в Черенковских детекторах.

Пример 1

Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO₄)₂ выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 4 мм/час и скоростью вращения кристалла 14 мин^-1. Получить качественный NaBi(WO₄)₂ не удается из-за дендритного механизма роста кристалла.

Пример 2

Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO₄)₂ выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 5 мм/час и скоростью вращения кристалла 15 мин^-1. Получен кристалл NaBi(WO₄)₂, прозрачный в диапазоне длин волн 352-380 нм.

Пример 3

Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO₄)₂ выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 4 мм/час и скоростью вращения кристалла 19 мин^-1. Получен кристалл NaBi(WO₄)₂, прозрачный в диапазоне длин волн 352-380 нм.

Пример 4

Кристалл вольфрамата натрия-висмута NaBi(WO₄)₂ выращивается методом Чохральского в воздушной атмосфере из платинового тигля со скоростью вытягивания 5 мм/час и скоростью вращения кристалла 20 мин^-1. Получен кристалл NaBi(WO₄)₂, практически полностью поглощающий свет в диапазоне длин волн 352-380 нм, т.е. непрозрачный в данном диапазоне.