Введение к работе
Актуальность работы. Большой интерес к разработке волокон для спектрального диапазона 2-30 мкм вызван необходимостью их применения в производстве волоконных кабелей тепловидения, сенсоров и волоконных лазеров среднего инфракрасного (ИК) диапазона спектра. Они востребованы также как элементы фильтров пространственных частот для проектов NASA и ESA по обнаружению планет подобных Земле, т.к. космические объекты излучают именно в этом спектральном диапазоне. Для изготовления таких волокон пригодно ограниченное количество материалов, среди которых наилучшими свойствами обладают кристаллы на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия. Кристаллы обладают: высокой пластичностью, негигроскопичностью, высокой прозрачностью от видимой до дальней ИК области спектра и являются единственными известными ИК-кристаллами, которые не обладают эффектом спайности. Поэтому из них методом экструзии (выдавливания) получают гибкие кристаллические ИК-световоды. Но высокая токсичность и хрупкость, «старение» и разрушение из-за рекристаллизации зерен, сдерживают применение световодов из кристаллов КРС-5 (TIBr-TlI). Поэтому ИК - световоды на основе галогенидсеребряных кристаллов являются в настоящее время единственными нетоксичными, негигроскопичными, механически прочными световодами для указанного диапазона спектра, благодаря химическому составу и поликристаллической структуре.
Широкое развитие сцинтилляционных методов регистрации различных типов ионизирующего излучения обусловлено преимуществами сцинтилляционных детекторов над другими счетчиками излучения. В основном известные сцинтилляторы получают в виде монокристаллов. Для экологического радиационного мониторинга и других применений существует необходимость в разработке волокон из кристаллических неорганических сцинтилляторов (КНС).
Работа выполнялась в рамках инновационной образовательной программы, мероприятие № 5591;
Согласно программе «Старт»: по теме «Разработка и исследования способа синтеза инфракрасных кристаллов с прогнозируемыми свойствами, ИК-световодов и волоконно-оптических устройств на их основе» № гос. регистрация 0120041826.
Согласно Единому Государственному Заказу по темам:
Исследование физико-химических свойств и синтеза нового класса сцинтилляционных и сенсорных световодов на основе галогенидов серебра № госрегистрации 01200215634.
Исследование научных основ роста монокристаллов AgClxBryl!.x.y и экструзии наноразмерных одно- и многомодовых инфракрасных и сцинтилляционных световодов. № госрегистрации 01200802978.
Цель работы. Разработка процесса синтеза и исследование физико-химических свойств кристаллов AgClxBri.x, в том числе легированных ТП, и получение на их основе маломодовых и многомодовых световодов для работы на длине волны 10,6 мкм, а также отработка режимов выращивания кристаллов AgClx Bry Ii.x.y, легированных европием, церием, неодимом, празеодимом и таллием (1) для получения из них методом экструзии однослойных и двухслойных волоконных сцинтилляторов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование особенностей и получение гидрохимическим методом многокомпонентной гомогенной и однофазной шихты для выращивания кристаллов галогенидов серебра;
выращивание новых по химическому составу кристаллов твёрдых растворов галогенидов серебра методом Бриджмена с аксиальной вибрацией расплава на разработанной и изготовленной установке КПЧ-01;
исследование физико-химических свойств кристаллов на основе твёрдых растворов галогенидов серебра;
изготовление методом экструзии волоконных сцинтилляторов из галогенидсеребряных КНС;
исследование возможностей изготовления маломодовых световодов из новых кристаллов для работы на длине волны 10,6 мкм.
Научная новизна:
изучена растворимость галогенидов одновалентного таллия и серебра в водных растворах НС1 и НВг в температурном интервале от 298 до 368 К. Данные необходимы для организации гидрохимического метода получения шихты задаваемого химического состава;
получена гидрохимическим методом однофазная шихта состава: AgCl025Br075 и Ago,98Tl0,o2Clo,2oBr0,77lo,o3, с0 структурой NaCl по данным рентгенофазового анализа;
методом рентгенофазового и дифференциально-термического анализа уточнено положение точки минимума на диаграмме температура - состав в системе AgCl-AgBr. Новые данные смещены на диаграмме AgCl-AgBr вправо на 5 мас.% по сравнению с ранее изученными [1]. Положение точки минимума имеет координаты Tmm=685K, NAgBrmm=75,4 мол. %;
исследованы свойства и определены спектры люминесценции для трёх видов галогенидсеребряных кристаллических сцинтилляторов и изготовленных из них методом экструзии волоконных сцинтилляторов.
определены показатели преломления на длине волны 10,6 мкм для новых кристаллов переменного состава Ag^xTlxClyBrJi.y.z;
Практическая значимость работы:
сконструирована и изготовлена экспериментальная установка КПЧ-01,
реализующая метод Бриджмена с аксиальной вибрацией расплава. Снижена
себестоимость кристаллов за счёт безотходного способа получения шихты,
уменьшения энергопотребления и сокращения времени процесса роста в 8-
10 раз;
разработаны технологические режимы и аппаратурная схема гидрохимического синтеза шихты для выращивания кристаллов твёрдых растворов галогенидов металлов сложного состава;
разработан световолоконный сцинтилляционный детектор рентгеновского излучения на основе галогенидсеребряных КНС;
на предприятии ООО НПЦ «Инфракрасная волоконная оптика» организовано производство новых кристаллов и световодов на их основе.
На защиту выносятся:
результаты физико-химического исследования получения кристаллов AgClxBr|.x, Agi.xTlxClyBrjI^y.z, в том числе легированных РЗЭ, включающего гидрохимический синтез однофазной шихты, выращивание кристаллов на разработанной установке КПЧ - 01 и их химико-механическую обработку;
состав, структура, свойства твердых растворов галогенидов серебра, в том числе легированных редкими элементами;
разработка технологии получения однослойных и двухслойных волоконных сцинтилляторов, а также маломодовых и многомодовых световодов для работы на длине волны 10,6 мкм.
Личный вклад автора.
Автор активно участвовал в постановке задач при исследовании образцов и обработке результатов измерений, в работах по анализу, систематизации и обобщении полученных результатов.
Принимал участие в изготовлении экспериментальной установки КПЧ-01 для выращивания кристаллов по методу Бриджмена с аксиальной вибрацией расплава.
Выращивал однородные по высоте и диаметру кристаллы на основе твердых растворов галогенидов металлов. Подбирал режимы их выращивания на новой изготовленной установке КПЧ-01. Готовил образцы кристаллов и световодов для анализа.
Изготавливал однослойные, двухслойные волоконные сцинтилляторы и ИК-световоды.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на: седьмой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2005); 4-ой межрегиональной молодежной научной школе «Материалы нано-, опто- и микроэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2005); 5-ой межрегиональной молодежной научной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2006); 12-ой Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2006); школе молодых учёных «Современные нанотехнологии» (Екатеринбург, 2008);
Участие в выставках. Образцы кристаллов, ИК-световодов и волоконных кабелей демонстрировались на 36-м Международном салоне изобретений, новой техники и технологий, Женева, апрель 2008 - получены золотая медаль и диплом.
На XI Российском экономическом форуме «Урал-техно. Наука. Бизнес», Екатеринбург, 2006 - присуждена золотая медаль.
На 2-ой Уральской венчурной выставке - ярмарке «Инновации 2006», Екатеринбург, ноябрь 2006 - присуждены золотая медаль и диплом.
Новые кристаллы и световоды на их основе демонстрировались на выставке «Приборостроение и электроника 2007», Екатеринбург, октябрь 2007 и евроазиатском форуме «Инвест 2007», Екатеринбург, ноябрь 2007.
Публикации. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликована 21 работа, из них 1 - в журнале ВАКа, 7 - в трудах международного оптического конгресса «Оптика XXI века», 8 - в отечественных сборниках, 2 - в тезисах конференций и получены 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
