專利名稱：下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶體生長技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置和方法。
背景技術(shù)：
無機閃爍晶體是能夠探測核物理和粒子物理領(lǐng)域各種微觀粒子或射線的一類光功能晶體材料。它是核物理、高能物理、空間物理、核醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無損檢測、國土安全、環(huán)境檢測等應(yīng)用領(lǐng)域的高技術(shù)裝置、設(shè)備的核心材料，屬于高技術(shù)材料。材料是高技術(shù)的基礎(chǔ)和突破口，一代材料一代技術(shù)，這在無機閃爍晶體材料方面體現(xiàn)的最為突出。鍺酸鉍(BGO)晶體是綜合性能優(yōu)異的閃爍探測材料。它密度大、具優(yōu)異的e/Y能 量分辨率、折射率高、無吸濕性、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、加工特性好等一系列優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域高能物理、核物理、空間物理、核醫(yī)學(xué)、安全檢查、環(huán)境監(jiān)測、食品檢測和石油測井
坐坐寸寸οBGO是高密度閃爍探測材料。高密度、大尺寸、高質(zhì)量閃爍晶體一直是制備技術(shù)的難點，長時間沒有取得實質(zhì)性的突破導(dǎo)致了相關(guān)設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用的進展遲緩。近兩年隨著空間暗物質(zhì)粒子探測研究與應(yīng)用的不斷深入與推動，鍺酸鉍晶體成為暗物質(zhì)粒子空間探測方法(電磁量能器)的首選的晶體材料，且需求的尺寸為500-1000mm。長期以來國際上長尺寸BGO晶體都是采用提拉法生長，且由于提拉法制備裝置的局限，生長出晶體的尺寸受限，如俄羅斯和圣戈班晶體公司晶體的最大可用尺寸長度只達到400_以下。我國主要采用下降法生長BGO晶體，盡管在批量生產(chǎn)方面有獨特優(yōu)勢，但由于制備裝置爐膛尺寸和生長工藝等限制，制備500-1000mm長鍺酸鉍晶體有著極大的難度。因此，至今世界上尚未有長度大于400mm的鍺酸鉍晶體的公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是旨在突破現(xiàn)有生長設(shè)備和生長方法等存在的技術(shù)瓶頸，增加了輔助加熱系統(tǒng)，提供了一種下降法生長長鍺酸鉍晶體的裝置，并制備出500-1000mm長的鍺酸鉍晶體。一方面，本發(fā)明提供一種下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，所述裝置包括爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)。在本發(fā)明一個實施方式中，所述爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括發(fā)熱體(6)、控溫管(5)、高溫區(qū)(4)、上隔磚(7)、梯度區(qū)(8)、下隔磚(10)、耐火保溫材料(3)、低溫區(qū)(9)、保溫棉(2)和爐殼(I)。在本發(fā)明一個實施方式中，所述輔助加熱系統(tǒng)包括保溫材料(11)、輔助加熱發(fā)熱體(12，13)、輔助加熱區(qū)(14)和側(cè)擋熱板(15，16)。在本發(fā)明中，所述爐體結(jié)構(gòu)的高溫區(qū)(4)的高度可根據(jù)生長晶體的長度進行調(diào)節(jié)。而且，所述輔助加熱系統(tǒng)的輔助加熱區(qū)(14)的高度也可根據(jù)生長晶體的長度進行調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明一個實施方式中，所述輔助加熱系統(tǒng)的發(fā)熱體(12，13)為硅碳棒或硅鑰棒。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述側(cè)擋熱板(15，16)的大小是可調(diào)的。另一方面，本發(fā)明提供采用所述下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置制備鍺酸鉍晶體的方法，所述方法包括(I)將鍺酸鉍原料裝入金屬坩堝后置于氧化鋁引下坩堝中；(2)將氧化鋁引下坩堝移入所述下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置中，按照下降法生長鍺酸鉍晶體；其中，通過爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體(6)和輔助加熱系統(tǒng)的輔助加熱發(fā)熱體(12，13)同時對所述裝置進行控溫和調(diào)節(jié)。 在本發(fā)明一個實施方式中，氧化鋁引下坩堝的下降速度為O. 8-2. O毫米/小時。在本發(fā)明一個實施方式中，爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的梯度區(qū)(8)的縱向溫度梯度為30-60開爾文/厘米(K/cm)。在本發(fā)明一個實施方式中，所述金屬i甘禍為鉬金屬i甘禍，長度為600-1100_。在本發(fā)明一個實施方式中，所述氧化鋁引下坩堝的長度為520-1020mm。在本發(fā)明中，按照生長爐的軸向分布，爐膛分為高溫區(qū)、梯度區(qū)、低溫區(qū)和輔助加熱區(qū)。本發(fā)明中，高溫區(qū)的高度是可以隨著生長晶體長度的變化而調(diào)節(jié)的。在晶體的生長過程中，原料在高溫區(qū)熔化，晶體在低溫區(qū)和輔助加熱區(qū)保溫，在梯度區(qū)結(jié)晶。本發(fā)明創(chuàng)造性地設(shè)計了輔助加熱系統(tǒng)，利用硅鑰棒或硅碳棒為加熱體，通過對長晶體的下部結(jié)晶好的部分進行輔助加熱，且輔助加熱系統(tǒng)設(shè)置的側(cè)擋熱板內(nèi)裝有保溫材料，從而避免了散熱使梯度區(qū)的溫度梯度不穩(wěn)定而影響晶體的結(jié)晶，有效抑制生長缺陷(包裹體和生長條紋)的產(chǎn)生，大大地提高了長鍺酸鉍晶體的生長質(zhì)量。此外，通過輔助加熱系統(tǒng)對結(jié)晶好的部分晶體進行保溫以減少晶體的開裂。在本發(fā)明中，所述高溫區(qū)的高度和輔助加熱區(qū)的高度根據(jù)晶體的長度需要是可調(diào)的(兩者的高度按照1:1的比例來調(diào)節(jié))，以滿足更長鍺酸鉍晶體生長的需要，從而使更長晶體的制備成為可能。本發(fā)明中，一種下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的方法包括將原料裝入金屬坩堝后置于氧化鋁引下坩堝中并移入下降法生長鍺酸鉍晶體的裝置中，升溫并保溫后接種，控制引下坩堝的垂直下降速率和晶體生長界面的溫度梯度。為了能滿足500-1000長晶體生長的需要，設(shè)計并使用匹配的超長放置原料的鉬金坩堝和超長的放置緩沖熱應(yīng)力的Al2O3填充粉的氧化鋁引下坩堝。在晶體生長的過程中，通過爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體和輔助加熱系統(tǒng)的輔助加熱發(fā)熱體同時對整個裝置的相應(yīng)部分進行控溫并調(diào)節(jié)，其中爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫的范圍在1200-1400°C之間，輔助加熱系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫范圍在300-600°C之間，從而使整個裝置的溫場更適合晶體生長，保證梯度區(qū)的最佳結(jié)晶梯度為30-60開爾文/厘米(K/cm)，晶體的結(jié)晶速度可提高至O. 8-2. O毫米/小時。同時，可根據(jù)實際應(yīng)用對晶體形狀和尺寸要求的不同，在生長裝置內(nèi)安放一只或多只坩堝，批量生長出質(zhì)量優(yōu)良的長鍺酸鉍晶體。與現(xiàn)有的生長鍺酸鉍晶體的裝置和方法相比，本發(fā)明裝置和方法的優(yōu)點在于I)在單純的生長爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地設(shè)計了輔助加熱系統(tǒng)，利用硅鑰棒或硅碳棒為加熱體，通過對長晶體的下部結(jié)晶好的部分進行輔助加熱，防止其裸露在空氣中而擴散爐膛內(nèi)熔體的熱量，保證了長鍺酸鉍晶體的生長質(zhì)量同時也可避免晶體的開裂;2)由于高溫區(qū)和輔助加熱區(qū)的高度是可以根據(jù)生長晶體長度需要而進行調(diào)節(jié)，高溫區(qū)和輔助加熱區(qū)的高度的變化按I: I比例來調(diào)節(jié)，因此可以制備500-1000mm甚至更長尺寸的錯酸秘晶體；3)輔助加熱系統(tǒng)設(shè)置了側(cè)擋熱板，內(nèi)部裝有保溫材料，其作用是防止溫度對流的空氣進入爐膛，更好保證輔助加熱的效果；4)爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體和輔助加熱系統(tǒng)的輔助加熱發(fā)熱體同時對所述的裝置的相應(yīng)部分進行控溫并調(diào)節(jié)，使整個裝置的溫場更適合晶體生長，保證梯度區(qū)在最佳結(jié)晶梯度30-60開爾文/厘米(K/cm)；
5)設(shè)計并使用適合500-1000mm晶體生長需要的超長鉬金坩堝和超長氧化鋁引下坩堝。


圖I是本發(fā)明下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體裝置的主視圖，其中，所述裝置包括爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)；其中I-爐殼；2_保溫棉；3_耐火保溫材料；4_高溫區(qū)；5_控溫管；6-發(fā)熱體；7_上隔磚；8_梯度區(qū)；9_低溫區(qū)；10-下隔磚；17-鉬金屬坩堝；18_氧化鋁引下坩堝。圖2是本發(fā)明下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置中輔助加熱系統(tǒng)的側(cè)剖視圖；其中11-保溫材料，12和13-輔助加熱發(fā)熱體，14-輔助加熱區(qū)，15和16-側(cè)擋熱板。圖3是采用本發(fā)明下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置與方法制備出的600mm長鍺酸秘晶體。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。需要注意的是，本發(fā)明的內(nèi)容并不限于這些具體的實施方式。在不背離本發(fā)明背景和精神的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明的內(nèi)容的基礎(chǔ)上可以進行等價替換和修改，其內(nèi)容也包括在本發(fā)明要求保護的范圍內(nèi)。圖I是本發(fā)明下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，它包括爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)。在所述爐體結(jié)構(gòu)中，I為爐殼，2為保溫棉，3為耐火保溫材料，4為高溫區(qū)，5為控溫管，6為發(fā)熱體，7為上隔磚，8為梯度區(qū)，9為低溫區(qū)，10為下隔磚，17為鉬金屬坩堝；18為氧化鋁引下坩堝；所述輔助加熱系統(tǒng)中，11為外殼，12為保溫材料，13為輔助加熱發(fā)熱體，14為輔助加熱區(qū)，15,16為側(cè)擋熱板(如圖I所示)。本發(fā)明的設(shè)備中，按照生長爐的軸向分布，爐膛分為高溫區(qū)4、梯度區(qū)8、低溫區(qū)9和輔助加熱區(qū)14。高溫區(qū)4是上隔磚7以上的區(qū)域，且高溫區(qū)4的高度可以隨著晶體長度的增加而增高，發(fā)熱體6采用硅鑰棒加熱，位于上隔磚7之上，可以使?fàn)t膛的溫度加熱到1230-1280°C ;低溫區(qū)9為上隔磚7至下隔磚10之間的區(qū)域。本發(fā)明的設(shè)備中，輔助加熱區(qū)14為輔助加熱系統(tǒng)區(qū)域，高溫區(qū)4、低溫區(qū)9以及輔助加熱區(qū)14的溫度梯度均較小，梯度區(qū)8為上隔磚7附近，其溫度梯度較大。在晶體的生長過程中，原料在高溫區(qū)4熔化，晶體在低溫區(qū)9和輔助加熱區(qū)14保溫，在梯度區(qū)8結(jié)晶。當(dāng)長晶體的下部結(jié)晶好的部分裸露于空氣中時，輔助加熱的發(fā)熱體12、13硅鑰棒可以為其提供輔助加熱，硅鑰棒周圍填有的保溫材料11，且輔助加熱系統(tǒng)的擋熱板15、16可防止對流的空氣進入爐膛，從而使梯度區(qū)的梯度穩(wěn)定，大大地提高了長鍺酸鉍晶體的生長質(zhì)量。在本發(fā)明中，當(dāng)所需生長的晶體尺寸增長時，可以通過增加高溫區(qū)的高度，同時按照1:1的比例來增加輔助加熱區(qū)的高度，避免了下降法生長的長晶體裸露在空氣中散熱影響晶體結(jié)晶和導(dǎo)致晶體開裂等問題，從而使聞質(zhì)量制備500-1000mm甚至更長晶體的成為 可能。
為了實時測量晶體生長過程的溫度變化，控溫管5采用鉬銠熱電偶為測溫元件，將測溫?zé)犭娕及仓糜谘趸X陶瓷管內(nèi)。下面對本發(fā)明的下降法生長500-800mm長鍺酸鉍晶體的方法進行進一步的說明。實施例I制備600_長鍺酸鉍晶體，具體制備方法如下將純度為4N以上的三氧化二鉍和二氧化鍺按照化學(xué)計量比2:3稱重混合后置于鉬金坩堝中，升溫至熔點溫度以上并保溫10-60分鐘左右，使原料完全熔化，快速注入模具中，降溫得到多晶料錠。將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為30 X 30mm2、長為700mm的長方體坩堝。選擇厚度為8mm、外截面為80X90mm2、長為620mm的長方體氧化招引下 甘禍；并選擇尺寸為60X30X70mm3的鍺酸鉍晶體，經(jīng)切割、研磨并清洗后用作籽晶。將籽晶和準備好的原料裝入長700mm的頂、底兩端開口的鉬金坩堝或底部封口的鉬金坩堝中。封口(將端口鉬金片卷曲折疊，形成封口)后將鉬金坩堝置于長620_的氧化鋁引下坩堝中。氧化鋁引下坩堝的截面尺寸要大于鉬金坩堝的截面尺寸，在鉬金坩堝的四周至氧化鋁引下坩堝之間填滿粉狀保溫材料，然后將氧化鋁引下坩堝移入下降法生長長鍺酸鉍晶體的裝置(如圖I所示)中，調(diào)整引下坩堝在爐膛中的垂直位置，升溫至1050°C以上，保溫48小時至多晶料錠或晶塊原料全部熔化后接種，在晶體生長的過程中，通過爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體和輔助加熱系統(tǒng)的輔助加熱發(fā)熱體同時對所述的裝置的相應(yīng)部分進行控溫并調(diào)節(jié)，其中爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫的在1320°C左右，輔助加熱系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫在500°C左右，使整個裝置的溫場最適合于晶體的生長，控制晶體生長界面的溫度梯度為50開爾文/厘米(K/cm)，氧化鋁引下坩堝的垂直下降速率為I. 2毫米/小時。生長結(jié)束后，停止下降。溫度降至室溫。切斷電源，取出鉬金坩堝，將坩堝內(nèi)的晶體剝出，制備出所述的鍺酸鉍晶體(如圖3)。實施例2制備600_長鍺酸鉍晶體，具體制備方法如下選擇現(xiàn)成的鍺酸鉍晶體，經(jīng)切割、研磨成所需要的尺寸和形狀，清洗后作為生長原料的晶塊。
實施例2的其他步驟如實施例I所述，最終制得所述600mm長鍺酸鉍晶體(如圖3)。實施例3制備600_長鍺酸鉍晶體，具體制備方法如下控制爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫的在1280°C左右，輔助加熱系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫在480°C左右，使整個裝置的溫場最適合于晶體的生長，并控制氧化鋁引下坩堝的垂直下降速率為I. O毫米/小時以及晶體生長界面的溫度梯度為40開爾文/厘米(K/cm)。實施例3的其他步驟如實施例I或2所述，最終制得所述寬板狀鍺酸鉍晶體(如圖3)。實施例4 制備600_長鍺酸鉍晶體，具體制備方法如下控制爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫的在1360°C左右，輔助加熱系統(tǒng)的發(fā)熱體控溫在560°C左右，使整個裝置的溫場最適合于晶體的生長，并控制氧化鋁引下坩堝的垂直下降速率為I. 6毫米/小時以及晶體生長界面的溫度梯度為60開爾文/厘米(K/cm)。實施例3的其他步驟如實施例I或2所述，最終制得所述寬板狀鍺酸鉍晶體(如圖3)。實施例5800mm長鍺酸鉍晶體的制備，具體制備方法如下如實施例I和2所述提供鍺酸鉍多晶料錠或晶塊。將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為30 X 30mm2,高為900mm的長方體 甘禍。選擇厚度為8mm、外截面為80X90mm2、長為820mm的長方體氧化招引下i甘禍。其它均按實施例1-4任一項所述的工藝條件，控制生長時間即可獲得800mm長鍺酸鉍閃爍晶體。實施例6900mm長鍺酸鉍晶體的制備，具體制備方法如下如實施例I和2所述提供鍺酸鉍多晶料錠或晶塊。將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為30 X 30mm2，高為IOOOmm的長方體坩堝。選擇厚度為8mm、外截面為80X90mm2、長為920mm的長方體氧化招引下i甘禍。其它均按實施例5所述的工藝條件，控制生長時間即可獲得900mm長鍺酸鉍閃爍晶體。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，所述裝置包括爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，其特征在于所述爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括發(fā)熱體(6)、控溫管(5)、高溫區(qū)(4)、上隔磚(7)、梯度區(qū)(8)、下隔磚(10)、耐火保溫材料(3)、低溫區(qū)(9)、保溫棉(2)和爐殼(I)。
3.如權(quán)利要求I所述的下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，其特征在于所述輔助加熱系統(tǒng)包括保溫材料(11)、輔助加熱發(fā)熱體(12，13)、輔助加熱區(qū)(14)和側(cè)擋熱板(15，16)。
4.如權(quán)利要求I所述的下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，其特征在于所述爐體結(jié)構(gòu)的高溫區(qū)(4)的高度根據(jù)生長晶體的長度進行調(diào)節(jié)。
5.如權(quán)利要求3所述的下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，特征在于所述輔助加熱系統(tǒng)的輔助加熱區(qū)(14)的高度根據(jù)生長晶體的長度進行調(diào)節(jié)。
6.如權(quán)利要求3所述的下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置，其特征在于所述輔助加熱系統(tǒng)的發(fā)熱體(12，13)為硅碳棒或硅鑰棒。
7.如權(quán)利要求3所述的下降法生長500-1000_長鍺酸鉍晶體的裝置，其特征在于所述側(cè)擋熱板(15，16)的大小是可調(diào)的。
8.采用權(quán)利要求I至7任一項所述下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置制備鍺酸鉍晶體的方法，所述方法包括 (1)將鍺酸鉍原料裝入金屬坩堝后置于氧化鋁引下坩堝中； (2)將氧化鋁引下坩堝移入所述下降法生長500-1000_長鍺酸鉍晶體的裝置中，按照下降法生長鍺酸鉍晶體； 其中，通過爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)熱體(6)和輔助加熱系統(tǒng)的輔助加熱發(fā)熱體(12，13)同時對所述裝置進行控溫和調(diào)節(jié)。
9.如權(quán)利要求8所述制備鍺酸鉍晶體的方法，其特征在于下降法中氧化鋁引下坩堝的下降速度為O. 8-2. O毫米/小時。
10.如權(quán)利要求8所述制備鍺酸鉍晶體的方法，其特征在于爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中梯度區(qū)(8)的縱向溫度梯度為30-60K/cm。
11.如權(quán)利要求8所述制備鍺酸鉍晶體的方法，其特征在于所述金屬坩堝為鉬金屬坩堝，長度為600-1100mm。
12.如權(quán)利要求8所述制備鍺酸鉍晶體的方法，特征在于所述氧化鋁引下坩堝的長度為 520-1020mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種下降法生長500-1000mm長鍺酸鉍晶體的裝置和方法。所述生長鍺酸鉍晶體的裝置包括爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)。在本發(fā)明中，通過爐體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)同時對晶體生長裝置相應(yīng)的梯度區(qū)和輔助加熱區(qū)進行控溫并調(diào)節(jié)，保證整個生長裝置具有最佳的溫度場。本發(fā)明還可以根據(jù)生長晶體的長度按照1:1的比例調(diào)節(jié)生長裝置高溫區(qū)的高度和輔助加熱系統(tǒng)的高度，并設(shè)計出長尺寸的鉑金坩堝和氧化鋁引下坩堝，調(diào)整合適的溫度梯度和下降速度，高效率地制備長尺寸、高質(zhì)量的鍺酸鉍閃爍晶體。
文檔編號C30B29/32GK102787350SQ201210322219
公開日2012年11月21日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者倪海洪, 劉光煜, 劉訓(xùn)龍, 周學(xué)農(nóng), 周里華, 孫世允, 宋桂蘭, 張健, 徐力, 李敏, 李文朋, 李赟, 杜勇, 王紹華, 袁蘭英, 趙鵬, 陸裕貴, 陳俊鋒, 齊雪君 申請人:上海硅酸鹽研究所中試基地, 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所