РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Получение кристаллов ZnSe и ZnSe1-xTex
Методика получения сцинтилляционного материала на основе кристаллов ZnSe1-xTex
включает в себя следующие стадии:
синтез твердых растворов при спекании порошков ZnSe и ZnTe;
выращивание кристаллов ZnSe1-xTex;
термическая обработка (ТО) выращенных кристаллов.
2.1.1. Синтез твердых растворов ZnSe1-xTex при спекании порошков ZnSe и ZnTe
Синтез твердых растворов селенида и теллурида цинка осуществляли путем спекания
исходной смеси порошков ZnSe и ZnTe в проточной атмосфере инертного газа
(аргона) и восстановительной среде при температуре 1273 К [151]. Составы
исходной смеси порошков выбирали таким образом: 0, 1, 3, 5 и 10 (в мас.% ZnTe);
время термообработки варьировали от 0.5 до 5 ч.
Подготовка шихты. На технических весах с погрешностью не более 0.01 г
взвешивали навески порошков селенида цинка и теллурида цинка, необходимые для
получения шихты с массовой долей теллурида цинка от 0 до 10 мас.%. Навески
ссыпали в специальную полиэтиленовую емкость и в течение 5 мин. перемешивали,
вращая и встряхивая емкость для равномерного распределения теллурида цинка в
объеме смеси. Шихту ссыпали в заранее приготовленный тигель, равномерно
распределяли и максимально уплотняли в тигле.
Термическая обработка тигля с шихтой. Тигель (со снятой крышкой) с шихтой
помещали в кварцевый реактор, который размещали в печи СУОЛ. Из баллона с
аргоном через редуктор продували под давлением 0.11 МПа всю магистраль и объем
реактора. После этого включали систему газоснабжения и подавали в реактор
водород в режиме протока. Термическую обработку шихты осуществляли в течение 2
часов. Затем печь выключали, а проток водорода продолжали до охлаждения печи до
(373±10) К. После этого в реактор подавали аргон в режиме протока под тем же
давлением до охлаждения реактора до комнатной температуры, после чего подачу
аргона прекращали и извлекали тигли из реактора.
Спекание исходных смесей порошков в водороде при временах ТО < 4 ч, а также
спекание в аргоне при любых временах ТО приводит к потерям массы как ZnSe, так
и ZnTe не более 3ё4 %. Возрастание времени ТО в водороде более 4 ч приводит к
резкому увеличению потерь только ZnTe. При времени ТО около 4.5 ч потери массы
ZnTe, когда х > 0.1, составляют 30ё50 %, в то же время при малых концентрациях
ZnTe (х < 0.05) потери массы теллурида цинка незначительны и убывают с
уменьшением х.
2.1.2. Выращивание и термическая обработка кристаллов
Выращивание кристаллов селенида цинка, легированного теллуром, осуществляли в
графитовых тиглях из расплава под давлением инертного газа (аргона) по методу
Бриджмена-Стокбаргера в ростовых компрессионных печах.
Процесс выращивания кристаллов этим методом предполагает кристаллизацию
расплава при температуре, превышающей на 50-100° температуру плавления
соединений, со скоростью в диапазоне 2.5-25 мм/ч. Данный метод наиболее
производителен и предполагает использование относительно несложного
оборудования, а также обеспечивает достаточную воспроизводимость параметров
сцинтилляторов на основе кристаллов АIIВVI, легированных изовалентными
примесями.
Установка для выращивания кристаллов состоит из ростовой камеры, шкафа
управления и системы газообеспечения. Ростовая камера представляет собой
толстостенный сосуд, рассчитанный на давление газа до 7 МПа. В камере
располагаются графитовый резистивный нагреватель, держатель тигля, связанный
штоком с механизмом перемещения тигля. Схема ростовой камеры для выращивания
кристаллов АIIВVI приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема ростовой печи для выращивания кристаллов АIIВVI.
1 – стальной корпус, 2 – теплоизоляция, 3 – нагреватель, 4 – графитовый тигель,
5 – тигледержатель, 6 – токовод, 7 – шток, 8 – механизм протяжки, 9 –
термопара, 10 – активная зона нагревателя.
Рост кристаллов происходит при протягивании с заданной скоростью тигля сквозь
нагреватель в условиях осевого и радиального градиентов температуры. При
температурах выращивания кристалла происходят процессы термического разложения
селенида и теллурида цинка согласно следующих уравнений реакций:
ZnSe « Zn + 1/2 Se2,
(2.1)
ZnTe « Zn + l/2Te2.
(2.2)
Эти процессы зависят от внешнего давления. В целях снижения технологически
вредного проявления термической сублимации, кристаллизацию расправа
осуществляют под избыточным давлением инертного газа в ростовой камере.
Оптимальные значения параметров процесса выращивания (скорость роста, давление
инертного газа, перегрев в зоне расплава и т.д.) на данном ростовом
оборудовании подбирали экспериментально; они обуславливаются размером
выращиваемого кристалла и конструкцией применяемых тиглей. Выращивание
кристаллов производили в графитовых тиглях с завинчивающимися крышками,
диаметром 24 мм и длиной 240 мм. Для удаления графитовой пыли и посторонних
частиц тигли и крышки промывали ацетоном, а затем этиловым спиртом.
Подготовленный тигель с шихтой помещали в ростовую печь, после чего печь
герметизировали. Затем объем печи откачивали с помощью форвакуумного насоса до
6.7 Па. Тигель с шихтой размещали в нижней части печи. Объем печи заполняли
аргоном до давления 1 МПа.
Включали электропитание печи и в режиме ручного управления устанавливали
мощность, соответствующую ростовой (по результатам заранее проведенных
экспериментов). При достижении температуры (1873±20) К мощность нагрева
увеличивали на 20 % от первичного показания и проводили протяжку тигля со
скоростью 600 мм/ч. После этого уменьшали мощность нагрева до первоначального
положения и корректировали таким образом, чтобы ус
- Київ+380960830922