Спосіб вирощування кристалів із парової фази
Винахід відноситься до технології отримання оптичних матеріалів, прозорих в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектру, а саме особливо чистих твердих кристалів фторидів лужноземельних та рідкісноземельних металів, зокрема фториду магнію. Спосіб включає нагрівання вихідного матеріалу, його вакуумне випаровування при температурі 1200 1300°З швидкістю осадження основної кристалічної речовини 0,6 2,4 мм/год на підкладці, нагрітій до 1100 1180°С, яка виконана з аморфного матеріалу, наприклад тканини з вуглецевого волокна. Отримані даним способом монокристали фториду мангія орієнтовані в площині, мають підвищену міцність і радіаційну стійкість. 2 з.п. ф-ли, 2 іл. 10 табл.
Винахід відноситься до технології отримання оптичних матеріалів, прозорих в ультрафіолетовій (УФ) видимій та інфрачервоній (ІЧ) областях спектру, а саме до отримання особливо чистих твердих кристалів фторидів лужноземельних та рідкісноземельних металів, зокрема фториду магнію (MgF2).
До оптичних кристалічних матеріалів пред'являються такі вимоги: високе пропускання в УФ, видимій та ІЧ-областях спектра; висока механічна міцність; висока стійкість до електромагнітного та -випромінювання; задана орієнтація окремих ділянок кристалічних зразків
Відомий спосіб вирощування кристалів лужноземельних і рідкісноземельних фторидів, що включає нагрівання вихідного матеріалу високочистого порошку, наприклад фториду магнію, до температури вище температури плавлення даного матеріалу. У печі утворюють постійний потік фтористого водню. Тигель з розплавом повільно просувають із контрольованою швидкістю через область максимального градієнта температур у зону кристалізації. Монокристалічний MgF2, отриманий даним способом,має високе пропускання в УФ-, видимої в ІЧ-областях спектра. У зв'язку з наявністю великого температурного градієнта в зоні зростання порядку 400 про Заготовки виходять блочними з довільною орієнтацією і неоднорідними по напругах всередині матеріалу. Крім того, в ході вирощування не видаляються важколеткі домішки, які нерівномірно розподіляються у напрямку зростання кристала. Це призводить до недостатньої радіаційної стійкості кристала.
Відомий спосіб очищення фторидів шляхом сублімації нагрітого в платиновому тиглі вихідного матеріалу в потоці сухого водню фтористого. Даний спосіб не забезпечує отримання більш чистих фторидів і більш однорідних монокристалів, так як сполуки, що містять кисень, піддаються фторуванню і осаджуються в зоні росту. Спосіб не застосовується для отримання MgF2 з високою швидкістю росту.
Найбільш близьким до заявленого за технологічним процесом, за сукупністю суттєвих ознак є спосіб отримання оптичного елемента, що включає нанесення на нагріту підкладку шляхом вакуумного випаровування попередньо прожареного сульфіду цинку. Випаровування проводять зі швидкістю 0,02-0,10 мм/год при температурі випаровування 1000-1080 про З та температурі підкладки 650-850 про С. Підкладка виконана з полікристалічного селедиду цинку. Даним способом одержують конструкційний оптичний елемент у вигляді диска із захисним шаром із сульфіду цинку з високою надійністю захисту елемента при роботі в несприятливих погодних умовах.
Описаний технологічний процес не дозволяє отримати монокристалічний елемент із фторидів лужноземельних металів, зокрема MgF2 через наявність великого градієнта температур (до 350 о С).
Завданням винаходу є можливість отримання монокристалів фториду магнію зпідвищеною міцністю та радіаційною стійкістю матеріалу, а також орієнтованого в площині кристала.
Таке завдання вирішується за допомогою способу, який полягає в нагріванні вихідного матеріалу, його вакуумному випаровуванні з регульованою швидкістю на нагріту підкладку і в якому на відміну від прототипу як вихідний матеріал відповідно використовують порошкоподібний або кристалічний фторид магнію, випаровування проводять при температурі випаровування 1200-1300 про Зі швидкістю осадження основної кристалічної речовини (зростання кристала) 0,6-2,4 мм/год на підкладці, нагрітій до 1100-1180 про С. При цьому доцільно використовувати підкладку з аморфного матеріалу. Таким матеріалом може бути тканина із вуглецевого волокна.
Можливе рішення поставленої задачі і з використанням підкладки з того ж кристалічного матеріалу, що і кристал, що вирощується із заданою орієнтацією. Виготовлення підкладки з аморфного матеріалу є більш простим і дешевим способом. Таким матеріалом може бути кераміка (Al2O3), аморфні метали.
Даним способом виходить особливо міцний і радіаційно стійкий матеріал за рахунок створення бездефектної структури, що містить значно менше домішок, зокрема оксидів, фторидів, карбідів і т.п. Очищення основної речовини досягається за рахунок виключення домішок різного ступеня летючості, так як основна речовина має більший ступінь летючості по відношенню до зазначених домішок.
Отриманий монокристал має орієнтацію в площині (110), перпендикулярної осі зростання, що досягається шляхом реалізації найбільш вигідної з енергетичної точки зору кристалічної орієнтації при осадженні речовини з пари в зоні малого температурного градієнта (Т=20-200 про С), а також використання підкладки з аморфногоматеріалу. Аморфний матеріал не взаємодіє з фторидом магнію, не чинить на зростаючий кристал енергетичного впливу, оскільки відсутні сили далекого порядку.
Площина спаяності монокристала перпендикулярна до підкладки, що найбільш вигідно для орієнтації кристала щодо підкладки з енергетичної точки зору.
Зазначений температурний режим є оптимальним для отримання монокристалів фториду магнію високої оптичної якості, орієнтованого в площині (110). Швидкість конденсації підбирається та керується експериментально. Температурні режими підібрані експериментальним шляхом за допомогою конструкції контейнера, що відповідає установці нагрівача, екранів, термопар. При цьому підкладка може розташовуватися як у безпосередній близькості від завантаженої сировини, так і у максимальному віддаленні від нього, що становить 2,5 діаметра контейнера, що забезпечує необхідний температурний градієнт. Однак ця відстань не повинна перевищувати вказаний максимум, тому що це веде до забруднення основної речовини від стінок контейнера.
На фіг. 1 зображено загальний вигляд випарно-осаджувальної установки, яка містить контейнер 1 з кришкою 2, під якою за допомогою притискного кільця 3 укріплена підкладка 4. На підкладці 4 утворюється монокристал 5. Вихідна сировина 6 поміщається на дні контейнера 1, коаксіально якому в безпосередній близькості від його стінок розташований нагрівач 7. Екрани 8 оточують контейнер 1 з нагрівачем 7. З зовнішньої сторони дна контейнера 1 встановлена термопара 9 для нагрівання вихідного матеріалу 6, поблизу підкладки 5 в стінці контейнера 1 встановлена термопара 10 для розігріву підкладки 4.
На фіг. 2 зображена залежність пропускання монокристалічного MgF2 від довжини хвилі прирізних дозах -опромінення. Криві (а) і (б) характеристики монокристала, отриманого пропонованим способом при опроміненні 1,1 10 5 Су і 5,1 10 5 Су відповідно, а криві (в) та (г) характеристики монокристала, отриманого вирощуванням з розплаву відповідно при тих ж значення дози -випромінювання.
Пропонований спосіб отримання монокристалів MgF2 здійснюється в такий спосіб. У квазізамкнутий контейнер 1 з кришкою 2, виконаний з графіту, покритого шаром піровуглецю, завантажують уламки отриманого з розплаву 6 фториду магнію. Поблизу кришки 2 всередині контейнера за допомогою притискного кільця 3, виконаного з нейтрального матеріалу, наприклад, графіту встановлюється підкладка 4 аморфного матеріалу, наприклад тканини з вуглецевого волокна. При цьому товщина тканини становить 0,8-15 мм із товщиною нитки 0,5-1 мм. Тканина береться пірографітизована марки ПГТ. Заданий градієнт температур створюють, поміщаючи контейнер у відповідну область сформованого необхідним чином температурного поля шляхом підбору конструкції нагрівача 7 та екранів 8. Складання поміщається в герметизовану камеру, в якій створюють вакуум за допомогою форвакуумного та дифузійного масляних насосів. При кімнатній температурі установці досягали тиску залишкових газів Р= 0,1 Па, при температурі випаровування вакуум становив величину порядку 1-10 Па. Температурний режим задають за допомогою двох термопар 9 і 10, відповідно розташованих близько завантаженого вихідного матеріалу 6 і підкладки 4. Нагрівання починають при досягненні тиску Р=0,1 Па і продовжують протягом 8-12 годин. Тривалість процесу випаровування становить 8-24 год. При оптимальній швидкості осадження 0,6-2,4 мм/год одержують компактний монокристалічний диск MgF2 товщиною 8-25 мм. При завантаженні вихідного матеріалу 1,5 кг зосколків кристала був отриманий монокристалічний диск діаметром 100 мм та товщиною 10 мм.
Зовнішній вигляд монокристалу диск діаметром 100 х 10 мм з характеристиками: густина 3,18 г/см 3 ; мікротвердість 3,7 гПа; міцність на вигин 65,5 МПа; тріщиностійкість (К1с) 0,918 МПа м 1/2 що підтверджує високу якість отриманого монокристалу MgF2.
Результати конкретних режимів зведено таблицю. З наведених у таблиці прикладів неоптимальними є такі: N 1 температури випаровування та осадження недостатні для отримання міцного зразка; NN 5 і 6 температура випаровування перевищує заявлений режим при максимальній температурі підкладки і перевищує цей рівень, що призводить до осадження великоблочних зразків з порушеною орієнтацією окремих ділянок; N 7 аналог з розплаву виходить довільно орієнтованим щодо осі зростання, має меншу міцність і менш радіаційно стійок, що особливо помітно зниження коефіцієнта пропускання в області 220-280 мкм (див. фіг. 2). Кристали, отримані в оптимальному режимі за заявленим способом (приклади 2-4) мають більш високу міцність і радіаційну стійкість, строго орієнтовані перпендикулярно осі росту.
Вимірювання властивості проводили відповідно до загальноприйнятих методик. Радіаційну стійкість визначали, вимірюючи зразків після опромінення -випромінюванням 60 З протягом 6-24 год. Коефіцієнт пропускання зразків визначали за допомогою спектрофотометрів СФ-26 та ІКС-29. Визначення мікротвердості та тріщиностійкості проводили на мікротвердомірі ПМТ-3. Мікротвердість визначали при навантаженні 1Н, тріщиностійкість при 56Н. Міцність на вигин контролювали методом чотириточкового вигину на універсальній випробувальній машині "Instron". Зразки для випробувань виготовляли у формі паралелепіпедів.Щільність зразків визначали за допомогою гідростатичного зважування толуолі.
1. СПОСІБ ВИРОЩУВАННЯ КРИСТАЛІВ З ПАРОВОЇ ФАЗИ, що включає нагрівання вихідного матеріалу, його вакуумне випаровування з регульованою швидкістю на нагріту підкладку, який відрізняється тим, що як вихідний матеріал використовують порошок або роздроблені кристали фториду магнію, випаровування проводять при температурі швидкістю осадження основної кристалічної речовини 0,6 2,4 мм/год на підкладці, нагрітій до 1100 1180 o С.
2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що осадження основної кристалічної речовини виробляють на підкладку, виготовлену з аморфного матеріалу.
3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що осадження основної кристалічної речовини виробляють на підкладку, виконану у вигляді відрізка тканини з вуглецевого волокна.