Методът за отглеждане на кристали от парна фаза
Изобретението се отнася до технология за получаване на оптични материали, които са прозрачни в ултравиолетовата, видимата и инфрачервената област на спектъра, а именно твърди кристали с висока чистота от флуориди на алкалоземни и редкоземни метали, по-специално магнезиев флуорид. Методът включва нагряване на изходния материал, неговото вакуумно изпаряване при температура 1200-1300 ° C със скорост на отлагане на основното кристално вещество 0,6-2,4 mm / h върху субстрат, нагрят до 1100-1180 ° C, който е направен от аморфен материал, например тъкан от въглеродни влакна. Монокристалите на магнезиевия флуорид, получени по този метод, са ориентирани в равнина, имат повишена якост и радиационна устойчивост. 2 т.п. f-ly, 2 ил. 10 табл.
Изобретението се отнася до технология за производство на оптични материали, които са прозрачни в ултравиолетовите (UV) видимите и инфрачервените (IR) спектрални области, а именно до получаване на твърди кристали с висока чистота от флуориди на алкалоземни и редкоземни метали, по-специално магнезиев флуорид (MgF2).
Следните изисквания са наложени на оптичните кристални материали: висока пропускливост в UV, видимата и инфрачервената област на спектъра; висока механична якост; висока устойчивост на електромагнитно и - излъчване; дадена ориентация на отделни участъци от кристални проби.
Известен метод за отглеждане на кристали от алкалоземни и редкоземни флуориди, включително нагряване на изходния материал от прах с висока чистота, като магнезиев флуорид, до температура над точката на топене на този материал. Пещта създава постоянен поток от флуороводород. Тигелът със стопилката се придвижва бавно с контролирана скорост през областта на максимален температурен градиент в зоната на кристализация. Монокристален MgF2, получен по този метод,има висока пропускливост в UV, видима в IR областите на спектъра. Поради наличието на голям температурен градиент в зоната на растеж от около 400 ° C, детайлите са блокови с произволна ориентация и нехомогенни напрежения вътре в материала. В допълнение, трудно летливите примеси, които са неравномерно разпределени в посоката на растеж на кристалите, не се отстраняват по време на растежа. Това води до недостатъчна радиационна устойчивост на кристала.
Известен метод за пречистване на флуориди чрез сублимация, нагрят в платинен тигел изходен материал в поток от сух флуороводород. Този метод не осигурява по-чисти флуориди и по-хомогенни монокристали, тъй като кислородсъдържащите съединения се подлагат на флуориране и се утаяват в зоната на растеж. Методът не е приложим за получаване на MgF2 с висока скорост на растеж.
Най-близък до заявения технологичен процес по съществени характеристики е методът за производство на оптичен елемент, включващ отлагане върху нагрята подложка чрез вакуумно изпаряване на предварително калциниран цинков сулфид. Изпарението се извършва със скорост 0,02-0,10 mm/h при температура на изпарение 1000-1080 ° C и температура на субстрата 650-850 ° C. Субстратът е направен от поликристален цинков селедид. Чрез този метод се получава структурен оптичен елемент под формата на диск със защитен слой от цинков сулфид с висока надеждност на защитата на елемента при работа при неблагоприятни метеорологични условия.
Описаният технологичен процес не дава възможност да се получи монокристален елемент от флуориди на алкалоземни метали, по-специално MgF2, поради наличието на голям температурен градиент (до 350 ° C).
Целта на изобретението е възможността за получаване на монокристали магнезиев флуорид сповишена якост и радиационна устойчивост на материала, както и ориентирани в равнината на кристала.
Този проблем се решава с помощта на метод, който се състои в нагряване на изходния материал, неговото вакуумно изпаряване с контролирана скорост върху нагрят субстрат и при който, за разлика от прототипа, като изходен материал се използва прахообразен или кристален магнезиев флуорид, съответно изпарението се извършва при температура на изпаряване от 1200-1300 ° C със скорост на отлагане на основното кристално вещество (растеж на кристали) от 0,6-2. 4 mm / h върху субстрат, загрят до 110 0-1180 около C. В този случай е препоръчително да се използва субстрат от аморфен материал. Такъв материал може да бъде плат от въглеродни влакна.
Също така е възможно да се реши посоченият проблем, като се използва субстрат, направен от същия кристален материал като израсналия кристал с дадена ориентация. Производството на субстрат от аморфен материал е по-прост и по-евтин метод. Такъв материал може да бъде керамика (Al2O3), аморфни метали.
Този метод произвежда особено здрав и устойчив на радиация материал чрез създаване на бездефектна структура, съдържаща значително по-малко примеси, по-специално оксиди, флуориди, карбиди и др. Пречистването на основното вещество се постига чрез елиминиране на примеси с различна степен на летливост, тъй като основното вещество има по-висока степен на летливост по отношение на тези примеси.
Полученият монокристал има ориентация в равнината (110), перпендикулярна на оста на растеж, което се постига чрез прилагане на най-енергетично благоприятната кристална ориентация по време на отлагането на вещество от пара в зоната на малък температурен градиент (T=20-200 o C), както и чрез използване на субстрат, направен от аморфенматериал. Аморфният материал не взаимодейства с магнезиевия флуорид и не упражнява енергиен ефект върху растящия кристал, тъй като няма сили за ред на далечни разстояния.
Равнината на синтез на единичен кристал е перпендикулярна на субстрата, което е най-полезно за ориентацията на кристала спрямо субстрата от енергийна гледна точка.
Посоченият температурен режим е оптимален за получаване на монокристали магнезиев флуорид с високо оптично качество, ориентирани в равнината (110). Скоростта на кондензация се избира и контролира експериментално. Температурните условия бяха избрани експериментално, като се използва дизайнът на контейнера, подходящата инсталация на нагревателя, екрани, термодвойки. В този случай субстратът може да бъде разположен както в непосредствена близост до заредената суровина, така и на максимално разстояние от нея, което е 2,5 диаметъра на контейнера, което осигурява необходимия температурен градиент. Това разстояние обаче не трябва да надвишава определения максимум, в противен случай води до замърсяване на основния материал от стените на контейнера.
На фиг. Фигура 1 показва общ изглед на инсталацията за изпаряване и утаяване, която съдържа контейнер 1 с капак 2, под който е фиксиран субстрат 4 със затягащ пръстен 3. Единичен кристал 5 се формира върху субстрата 4. Изходният материал 6 се поставя на дъното на контейнера 1, коаксиално на който, в непосредствена близост до стените му, е разположен нагревател 7. 6, и близо до субстрата 5 в стената на контейнера 1 е монтирана термодвойка 10 за нагряване на субстрата 4.
На фиг. 2 показва зависимостта на пропускането на монокристален MgF2 от дължината на вълната приразлични дози облъчване. Криви (a) и (b) са характеристиките на единичен кристал, получен по предложения метод при облъчване съответно с 1,1 x 10 5 Su и 5,1 x 10 5 Su, а кривите (c) и (d) са характеристиките на единичен кристал, получен чрез отглеждане от стопилка, съответно, при същите стойности на доза - радиация.
Предложеният метод за получаване на монокристали MgF2 се осъществява по следния начин. В квазизатворен контейнер 1 с капак 2, изработен от графит, покрит със слой от пиролитичен въглерод, се зареждат фрагменти, получени от стопилката 6 на магнезиев флуорид. Близо до капака 2 вътре в контейнера с помощта на затягащ пръстен 3, направен от неутрален материал, като графит, е монтиран субстрат 4 от аморфен материал, като плат от въглеродни влакна. В този случай дебелината на тъканта е 0,8-15 mm с дебелина на нишката 0,5-1 mm. Материята е взета пирографитизирана марка PGT. Предварително определен температурен градиент се създава чрез поставяне на контейнера в подходящата зона на температурното поле, образувано според необходимостта чрез избор на дизайна на нагревателя 7 и екраните 8. Сглобката се поставя в запечатана камера, в която се създава вакуум с помощта на предвакуум и дифузионни маслени помпи. При стайна температура в инсталацията достигна налягане на остатъчните газове Р= 0,1 Pa, при температура на изпарение вакуумът беше около 1-10 Pa. Температурният режим се задава с помощта на две термодвойки 9 и 10, съответно разположени в близост до заредения изходен материал 6 и подложката 4. Нагряването започва при достигане на налягане Р=0,1 Ра и продължава 8-12 часа. Продължителността на процеса на изпаряване е 8-24 ч. При оптимална скорост на отлагане 0,6-2,4 mm/h се получава компактен диск от монокристален MgF2 с дебелина 8-25 mm. При зареждане на суровина 1,5 кг откристални фрагменти се получава монокристален диск с диаметър 100 mm и дебелина 10 mm.
Външен вид на монокристален диск с диаметър 100 х 10 mm със следните характеристики: плътност 3,18 g/cm 3 ; микротвърдост 3,7 GPa; якост на огъване 65,5 MPa; устойчивост на пукнатини (K1c) 0.918 MPa m 1/2, което потвърждава високото качество на получения монокристал MgF2.
Резултатите от конкретни режими са обобщени в таблицата. От примерите, показани в таблицата, следните не са оптимални: N 1 температурите на изпарение и утаяване са недостатъчни за получаване на трайна проба; NN 5 и 6, температурата на изпарение надвишава декларирания режим при максимална температура на субстрата и надвишава това ниво, което води до отлагане на големи блокови проби с нарушена ориентация на отделни секции; Аналогът на N 7 от стопилката се получава произволно ориентиран спрямо оста на растеж, има по-ниска якост и по-малка устойчивост на радиация, което е особено забележимо при намаляване на пропускливостта в областта от 220-280 μm (виж фиг. 2). Кристалите, получени в оптималния режим съгласно претендирания метод (примери 2-4), имат по-висока якост и устойчивост на радиация, строго ориентирани перпендикулярно на оста на растеж.
Измерването на имота е извършено по общоприети методи. Радиационната устойчивост се определя чрез измерване на пробите след облъчване с 60 Co лъчение за 6–24 ч. Коефициентът на пропускане на пробите се определя с помощта на спектрофотометри SF-26 и IKS-29. Определянето на микротвърдостта и устойчивостта на пукнатини се извършва на микротвърдомер PMT-3. Микротвърдостта се определя при натоварване от 1N, устойчивостта на пукнатини при 5,6N. Якостта на огъване се контролира чрез метода на четириточково огъване на универсална машина за изпитване Instron. Тестовите образци са направени под формата на паралелепипеди.Плътността на пробите се определя чрез хидростатично претегляне в толуен.
1. МЕТОД ЗА ОТРАЖДАНЕ НА КРИСТАЛИ ОТ ПАРНА ФАЗА, включващ нагряване на изходния материал, неговото вакуумно изпаряване с контролирана скорост върху нагрят субстрат, характеризиращ се с това, че като изходен материал се използват прах или натрошени кристали от магнезиев флуорид, изпаряването се извършва при температура на изпаряване от 1200 1300 o C със скорост на отлагане на основното кристално вещество 0,6 2,4 mm/h върху субстрата, при нагряване до 1100 1180 o C.
2. Методът съгласно т. 1, характеризиращ се с това, че отлагането на основното кристално вещество се извършва върху субстрат, изработен от аморфен материал.
3. Метод съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че отлагането на основното кристално вещество се извършва върху субстрат, направен под формата на парче тъкан от въглеродни влакна.