способ выращивания монокристаллов в сквозных отверстиях сеток для матричных детекторов и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ выращивания монокристаллов для матричных детекторов, включающий нагрев тигля с шихтой и затравкой, расплавление шихты и верхней части затравки и последующую кристаллизацию путем охлаждения в градиенте температуры, отличающийся тем, что кристаллизацию ведут с использованием погруженного в расплав нагревателя в герметичном корпусе (ОТФ-нагревателя) и сетки со сквозными отверстиями, расположенной внутри обоймы, установленной в тигле без зазора относительно его внутренних стенок, при этом обойму первоначально размещают между верхней частью затравки и ОТФ-нагревателем, а затем с его помощью опускают вниз до тех пор, пока сетка не займет место расплавленной верхней части затравки, а расплав не заполнит целиком сквозные отверстия сетки по всей ее высоте.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что градиент температуры создают расположенным вне тигля нагревателем.

3. Устройство для выращивания монокристаллов для матричных детекторов, содержащее тигель с расплавом и затравкой, установленной в его нижней части, отличающееся тем, что дополнительно содержит погруженный в расплав нагреватель в герметичном корпусе (ОТФ-нагреватель) и сетку со сквозными отверстиями, размещенную внутри обоймы с горизонтальными канавками в ее верхней части, при этом обойма установлена между верхней частью затравки и ОТФ-нагревателем без зазора между ее боковой поверхностью и внутренней поверхностью тигля, причем ОТФ-нагреватель выполнен с возможностью перемещения вниз внутри тигля, а тигель установлен на донышке-подставке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к выращиванию монокристаллов из расплава при температурном градиенте с использованием устройства для передвижения расплава и кристалла.

Матричные детекторы широко применяются для визуализации рентгеновского излучения в томографии, микротомографии, радиографии, в системах таможенного контроля и в системах неразрушающего контроля промышленных изделий. Например, для регистрации частиц высокой энергии [1] такие детекторы делают из высококачественных монокристаллов Csl (TI) размером несколько сантиметров, которые сопрягают друг с другом. Для других применений изготавливают двухмерные матрицы [2] с размером пикселя, например, 1 мм из кристаллов Nal (TI) (площадь матрицы 150x200 мм ²), 0.85 мм из BGO и 300 мкм из монокристаллов Csl (TI). Чем меньше размер элементарного детектора (пикселя), тем выше разрешение изготавливаемых детекторных экранов. В частности, для медицинских целей (флюороскопия, маммография и радиология) требуются большие экраны до 40x40 см² с размером пикселя от 400 до 60 мкм. В настоящее время такие матричные детекторы делают либо из монокристаллов Csl:TI (в перспективе CdTe, Pbl₂, Hgl₂, PbO и др.), либо из порошкового материала Gd₂ O₂S:Tb с использованием электронных TFT технологий [3].

Для повышения пространственного разрешения и снижения трудоемкости при изготовлении матричных экранов, особенно при очень малых размерах единичного элемента, когда механически их просто не представляется возможным изготовить, сцинтилляционный слой (см., например, патент [4]) на основе кристаллов фторида лития или натрия разделяют на дискретные сцинтилляционные ячейки размерами от 6 до 200 мкм и выше с помощью металлической сетки. Сетка углубляется на глубину приповерхностного сцинтилляционного слоя (4-6 мкм) и служит для оптического разделения сцинтилляционных ячеек. Недостатком этого способа является определенная неточность в поперечном размере ячейки, а также невозможность использовать монокристаллические элементы высотой 5-10 мм, которые необходимы для оптимальной работы детекторов, например, на Csl (TI).

Возможен другой вариант, когда изначально изготавливается керамическая (или из другого материала) сетка необходимой высоты, например, в соответствии с патентом [5], сквозные отверстия которой могут быть заполнены сцинтилляционным материалом. Наилучший вариант, с точки зрения качества детекторного материала, - прорастить эту сетку монокристаллом так, чтобы в результате получить матричный детектор с элементом размером в десятки или сотни микрон в каждом таком отверстии.

Известны способы выращивания, в которых кристаллизацию ведут в температурном градиенте, величина которого за счет применения погруженного нагревательного элемента (ОТФ-нагревателя) в устройстве для выращивания кристалла из расплава методом осевого теплового потока на фронте кристаллизации [6] может варьироваться в широком диапазоне. Более того, применение ОТФ-нагревателя, который содержит датчики температуры вблизи своего донышка, позволяет контролировать величину температурного градиента, а также перегрев самого расплава. Задачу получения кристаллов необходимой формы и размера традиционно решают с применением формообразователей, например методом Степанова. Принципы формообразования основываются на повторении (наследовании) кристаллом формы поперечного сечения твердого формообразующего элемента через форму поперечного сечения зоны расплава, смачивающего торцовые поверхности формообразующего элемента и кристалла. Однако применение этих методов для получения набора кристаллов размерами 10-500 мкм затруднено, а рост их внутри матрицы, т.е. внутри формообразующего элемента, не предусмотрен в принципе.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения монокристаллических детекторов [7], позволяющий получать несколько кристаллов за один цикл. Для придания кристаллу необходимой формы в сечении выращивание направленной кристаллизацией из исходной шихты на затравках, например фторидов щелочно-галоидных металлов, осуществляется внутри графитового формообразователя. Формообразователь располагается в верхней части тигля над шихтой. После выдержки шихты в расплавленном состоянии формообразователь погружают в расплав, и после полного заполнения отверстий формообразователя расплавом тигель опускают через зону кристаллизации с градиентом температуры. При прохождении расплавом зоны кристаллизации на затравочном кристалле формируется монокристалл с заданной ориентацией, который заполняет отверстия формообразователя. Авторами, однако, проводились ростовые опыты по получению детекторов диаметром от 3 мм и выше. Поэтому представляется затруднительным обеспечить попадание расплава во все отверстия, если их размер уменьшить на 1-2 порядка, без дополнительных операций и использования специальных конструктивных элементов. Кроме того, без применения специальных мер керамическая (или другого материала) сетка - «формообразователь», истинная плотность материала которой (Al₂O₃-3.79 г/см ³, MgO-3.58 г/см³, SiO ₂-2.65 г/см³, стеклоуглерод - 1.5 г/см³) меньше плотности многих сцинтилляционных кристаллов (Csl-4.51 г/см³, Nal-3.67 г/см ³, BGO-7.13 г/см³, LiF-2.61 г/см ³, BaF₂-4.89 г/см ³), тем более при неполном заполнении ячеек расплавом, просто всплывает в расплаве, и в ячейках, заполненных расплавом, после затвердевания образуется поликристаллический материал.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении монокристаллов малого размера (в десятки-сотни микрон) для их использования в матричных детекторах.

Технический результат достигается способом выращивания монокристаллов для матричных детекторов, включающим нагрев тигля с шихтой и затравкой, расплавление шихты и верхней части затравки и последующую кристаллизацию путем охлаждения в градиенте температуры, отличающимся тем, что кристаллизацию ведут с использованием погруженного в расплав нагревателя в герметичном корпусе (ОТФ-нагревателя) и сетки со сквозными отверстиями, расположенной внутри обоймы, установленной в тигле без зазора относительно его внутренних стенок, при этом обойму первоначально размещают между верхней частью затравки и ОТФ-нагревателем, а затем с его помощью опускают вниз до тех пор, пока сетка не займет место расплавленной верхней части затравки, а расплав не заполнит целиком сквозные отверстия по всей высоте сетки. В случае, когда для кристаллизации не требуется большой по величине градиент температуры, его создают расположенным вне тигля нагревателем (п.2 формулы изобретения).

Технический результат достигается также устройством для выращивания монокристаллов для матричных детекторов, содержащим тигель с расплавом и затравкой, установленной в его нижней части, отличающимся тем, что устройство дополнительно содержит погруженный в расплав нагреватель в герметичном корпусе (ОТФ-нагреватель) и сетку со сквозными отверстиями, размещенную внутри обоймы с горизонтальными канавками в ее верхней части, при этом обойма установлена между верхней частью затравки и ОТФ-нагревателем без зазора между ее боковой поверхностью и внутренней поверхностью тигля, причем ОТФ-нагреватель выполнен с возможностью перемещения внутри тигля, а тигель установлен на донышке-подставке.

На чертеже показана конструкция устройства в целом (а) и обоймы крепления сетки (б).

В предлагаемом устройстве (чертеж а) цилиндрическая затравка 1 устанавливается в нижней части тигля 2 на донышко-подставку 3. Внутри тигля находится шихта 4 и погружаемый (после расплавления шихты) в расплав ОТФ-нагреватель в герметичном корпусе 5. Сетка 6 со сквозными отверстиями малого размера, размещенная внутри обоймы 7 с горизонтальными канавками 8 (чертеж б) в ее верхней части, размещена на верхнем торце затравочного кристалла 1. Для контроля температуры термопары 9 размещены в донышке-подставке тигля 3 и в донышке ОТФ-нагревателя 5.

Устройство работает следующим образом. При нагреве тигля 2 с затравкой 1 и шихтой 4 в температурном градиенте расплавляют шихту и верхнюю часть затравочного кристалла. Опуская вниз ОТФ-нагреватель 5, перемещают обойму 7 с сеткой 6 вниз так, чтобы сетка заняла место расплавленной части затравочного кристалла. При этом расплав, ранее находившийся под сеткой, перетекает наверх в область над обоймой с сеткой и через прорези 8 в обойме в область между ОТФ-нагревателем в герметичном корпусе 5 и стенками тигля 2 и далее в область над ОТФ-нагревателем. Поскольку обойма установлена в тигле так, что зазор между ее боковой поверхностью и стенкой тигля 2 отсутствует, то расплав протекает только через сквозные отверстия в сетке (как показано на чертеже а), целиком заполняя их расплавом. На следующей стадии начинают охлаждение тигля. Кристалл начинает расти на затравку вверх, прорастая внутрь сквозных отверстий.

Пример выращивания монокристаллов в ячейках сетки

Пример 1. Для проращивания сетки высотой 5 мм из алундовой керамики с отверстиями 300 мкм используется тигель без дна, изготовленный из кварцевой трубочки диаметром 20 мм. В нижней его части с небольшим зазором по боковой поверхности размещается затравочный кристалл из Csl высотой 20 мм, нижним торцом опирающийся на подставку-донышко. Сетка установлена в обойме из графита так, что зазор между боковой поверхностью обоймы и кварцевой трубки отсутствует. Сетку устанавливают сверху затравки. Засыпают шихту Csl (TI), опускают в тигель ОТФ-нагреватель в герметичном корпусе из кварца, который снаружи покрыт графитом. Тигель нагревают до температуры, превышающей температуру плавления выращиваемого кристалла на 25-30°С. Контроль за перегревом ведут по термопаре в донышке ОТФ-нагревателя. При этом температура донышка тигля поддерживается на 140-150°С ниже температуры плавления выращиваемого кристалла, так чтобы в расплаве установился градиент температуры 50-60°С/см. ОТФ-нагреватель перемещают вниз до соприкосновения с обоймой, после чего ОТФ-нагреватель начинают постепенно опускать вниз. По мере проплавления верхней части затравки обойма с сеткой опускается вниз, пока сетка по высоте целиком не займет место расплавленного кристалла. Расплав из нижней части тигля перетекает в верхнюю, заполняя целиком сквозные отверстия сетки. После небольшой выдержки в 30-40 мин начинают охлаждение тигля, что вызывает рост монокристалла. После полного охлаждения кристалл с проращенной сеткой вынимают. Обойму удаляют; затравочный кристалл отрезают от сетки и используют затем повторно.

В результате получают заготовку для матричного детектора, все ячейки которой заполнены монокристаллическим Csl (TI). Исследование на микроскопе выращенных в сквозных отверстиях сетки монокристаллов показало, что кристаллы прозрачны, трещин и других видимых дефектов не имеют.

Пример 2. В качестве сетки для проращивания берут диски высотой 3 мм, вырезанные из поликапиллярных структур в виде стержней диаметром 40 мм и размером ячейки 20 мкм фирмы НПП «Наноструктурная технология стекла (г.Саратов). Для выращивания монокристаллов Csl (TI) в сквозных отверстиях используют такую же конструкцию устройства, описанную в предыдущем примере, и выполняют те же процедуры. Перегревая расплав на 25-30°С, создают градиент температуры в расплаве 80-90°С/см. Далее повторяют все операции, приведенные в примере 1, и после охлаждения достают кристалл с пророщенной сеткой.

Пример 3. При выращивании монокристаллов LiF для детекторов используют сетку из стеклоуглерода высотой 8 мм и диаметром 30 мм с размером ячейки 2 мм. Корпус ОТФ-нагревателя также делают из стеклоуглерода или графита. Расплав перегревают на 40-50°С, создавая градиент температуры в расплаве 50-55°С/см. После того как расплав при опускании ОТФ-нагревателя заполняет отверстия сетки, осуществляют кристаллизацию в указанном градиенте температуры. После охлаждения сетку из тигля вынимают, а кристаллы используют в качестве детекторов для матричных элементов.

Пример 4. При выращивании монокристаллов германата висмута (BGO) для матричных детекторов сетку из алундовой керамики диметром 15 мм и высотой 10 мм с размером отверстий 800 мкм покрывают защитным слоем платины. Герметичный корпус ОТФ-нагревателя также делают из платины. Кристалл берут высотой 40-45 мм, т.к. кристаллизацию ведут в малом градиенте температуры в расплаве ˜ 10-15°С/см для реализации режима гранного роста монокристалла. Расплав перегревают на 10-15°С, а температуру донышка поддерживают ниже температуры плавления BGO на 8-10°С. При этом с нагревательного элемента ОТФ-нагревателя мощность не снимают, а добиваются необходимого распределения температуры по высоте тигля расположенным вне него нагревателем. Аналогично предыдущим примерам, после того как расплав при опускании ОТФ-нагревателя заполняет отверстия сетки, осуществляют кристаллизацию. После охлаждения сетку с монокристаллами внутри ее отверстий вынимают из тигля и используют для изготовления матричных детекторов.

Источники информации

1. A. Wagner и др. Energy resolution and energy-light response of Csl(TI) scintillator for charged particle detection. East Lansing, 2000-15p; 9p.il. - (MSUCL 1150).

2. Saint- Gobain. Ceramics & Plastics. Описание продукции на матрицы из кристаллических сцинтилляторов, 2002.

3. J.P. Моу, X-Ray Medical Imaging and Pixel detectors, PIXEL 2000 Genova, June 5-8th 2000.

4. Сцинтиллятор для визуализации рентгеновского излучения. RU 2261459 С1, 27.09.2005.

5. Способ получения керамической матрицы со сквозными каналами, RU 2030368 С1, 03.10.1995.

6. Устройство для выращивания кристаллов. RU 1800854 А1, 05.01.1993.

7. Способ получения монокристаллических детекторов на основе фтористого лития. SU 1707088 А1, 23.01.1992.