Оптический материал для регистрации черенковского излучения

 

Сущность изобретения: радиационностойкий (10⁶ рад) оптический неорганический материал с низкой температурой плавления (750 ± 5)^oС и высокой твердостью 133 - 156 кг/мм², который можно применять для регистрации черенковского излучения. Монокристаллический материал представляет собой твердый раствор на основе PbF₂ с стабилизированной путем введения CdF₂ высокотемпературной кубической модификацией и соответствующий эмпирической формуле Pb_1-x Cd_xF₂; где 0,030≅x≅0,34. Монокристаллы указанных составов выращены методом Бриджмена-Стокбаргера в графических тиглях в инертной атмосфере. 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к оптическим материалам, используемым для регистрации γ -квантов и электронов в физике высоких энергий.

В системах регистрации γ -квантов и электронов на ускорителях нового поколения YHK, LHC, SSC применяются, в частности оптические материалы, в которых возникает черенковское излучение (т.н. черенковские радиаторы), к которым со стороны физики высоких энергий выдвигаются следующие требования: высокая поглощающая способность (плотность выше 5,5-6,5 г/см³), радиационная стойкость не менее 10⁶ рад, твердость не менее 80 кг/мм², технологоичность производства и обработки, дешевизна исходного сырья, хорошее оптическое качество.

Ближайшим техническим решением по составу и свойствам к предлагаемому материалу является фторид свинца PbF₂.

Однако, этот материал имеет ряд недостатков, к главным из которых относятся низкая радиационная стойкость 10⁵ рад, низкая твердость (25,39 ±0,73) кг/мм² по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг на грани (111), отчетливо выраженная спайность.

Серьезным обстоятельством является также наличие полиморфного превращения в интервале 375-415^оС. Частичный переход высокотемпературной кубической α -модификации (структурный тип CaF₂) в низкотемпературную ромбическую β -модификацию (структурный тип PbCl₂) отмечается при выращивании кристаллов из расплава как результат отжига при определенных термических условиях. При этом возникает сильное поглощение и рассеяние света на включениях низкотемпературной фазы, что затрудняет производство кристаллов высокого качества.

Цель изобретения увеличение радиационной стойкости до 10⁶ рад, понижение температуры плавления от 825 до (750±5)^оС, увеличение твердости с (25,39±0,73) кг/мм² до 133-156 кг/мм² по Виккерсу, улучшение оптических качеств материала путем стабилизации высокотемпературной кубической α -модификации PbF₂ добавлением фторида кадмия.

Цель достигается тем, что оптический материал для регистрации γ-квантов и электронов в физике высоких энергий получается из твердого раствора Pb_1-x Co_xF₂ с 0,30≅X≅0,34, соответствующего интервалу вблизи состава точки минимума на диаграмме плавкости, с температурой плавления равной (750 + 5)^oС. Очень пологий ликвидус в области минимума позволяет выращивать кристаллы стабилизированной высокотемпературной кубической модификации хорошего оптического качества с однородным распределением компонентов по длине.

На фиг. 1 представлена штрих-диаграмма кристалла PbF₂ с примесью орторомбической низкотемпературной β -модификации; на фиг.2 штрих-диаграмма кристалла состава Pb_0,67Cd_0,33F₂; на фиг.3 диаграмма состояния CdF₂-PbF₂; на фиг. 4 микрофотография кристалла Pb_0,67Cd_0,33F₂, в котором нет ячеек (увеличение х16); на фиг.5 микрофотография кристалла состава Pb_0,60Cd_0,40F₂ (увеличение х16); на фиг.6 микрофотография кристалла Pb_0,74Cd_0,26F₂, имеющего ячеистую структуру (увеличение х 16); на фиг.7 зависимость твердости кристалла от его состава по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг/мм².

Монокристаллы указанных составов выращивают методом Бриджмена-Стокбаргера в графитовых тиглях в графитовой печи сопротивления в атмосфере гелия. Тигель опускается из горячей зоны в холодную со скоростью 3-12 мм/ч. Для кристаллизации используют реактивы марки ОСЧ.

Предлагаемые кристаллы Pb_1-xCd_xF₂, где 0,30 ≅X≅0,34 принадлежат к кубической сингонии (пространственная группа Fm 3m).

Сравнительные характеристики свойства монокристаллов PbF₂ и состава точки минимума Pb_0,67Cd_0,33F₂ приведены в таблице.

Из приведенной таблицы видно, что для кристалла Pb_1-xCd_xF₂(0,30≅X≅0,34) по сравнению с PbF₂ достигаются следующие эффекты: повышается радиационная устойчивость с 10⁵ рад для чистого PbF₂ до 10⁶рад, плотность снижается до 7,44 г/см³, но остается значительно выше минимально необходимой для черенковского радиатора, твердость возрастает от (25,39 + 0,73) до (146,2 + 7,6) кг/мм², введение CdF₂ приводит к исчезновению спайности по (111), что существенно упрощает механическую обработку материала, температура плавления понижается от (825±5)^оС для PbF₂ до (750±5)^оС для состава точки минимума, что делает материал более технологичным для выращивания кристаллов, при идентичных с PF₂ условиях выращивания в Pb_1-xCd_xF₂ (0,30 ≅X≅0,34) происходит стабилизация высокотемпературной кубической (флюоритовой) модификации, что обеспечивает однородность по составу и как следствие высокое оптическое качество монокристаллов.

Использование составов твердых растворов Pb_1-xCd_xF₂, где Х < 0,30 или Х > 0,34 нецелесообразно, поскольку изменения в сторону увеличения или уменьшения содержания CdF₂ приводят к неравномерному распределению компонентов по длине кристаллов, появлению ячеек, а следовательно, и ухудшению оптических качеств кристалла, нестабильности физических свойств в различных частях кристалла, повышению температуры плавления, уменьшению твердости материала и т.д.

Таким образом, оптимальными являются составы Pb_1-xCd_xF₂, где 0,30≅X≅0,34 имеющие радиационную стойкость 10⁶ рад, температуру плавления (750 + 5)^оС, твердость 133-156 кг/мм², стабилизированную изоморфными замещениями флюоритовую структуpу и не имеющие плоскостей спайности, что позволяет рассматривать предлагаемый материал сложного химического состава как заменитель PbF₂ для радиаторов черенковского излучения на установках типа YHK, LHC,SSC, обладающий эксплуатационными характеpистиками.

П р и м е р 1. Для выращивания монокристалла состава точки минимума Pb_0,67Cd_0,33F₂ берут реактивы PbF₂ и CdF₂ марки ОСЧ. Шихту состава Pb_0,67Cd_0,33F₂ загружают в графитовый тигель с диаметром ячейки 30 мм, помещают в графитовую печь сопротивления, нагревают в атмосфере гелия до (765±15)^оС, при этой температуре выдерживают расплав в течение 1 ч, затем выводят тигель в холодную зону со скоростью 3 мм/ч. Получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 100 мм, хорошего оптического качества (фиг.4) со стабилизированной высокотемпературной кубической (флюоритовой) структурой (фиг.2) с равномерным распределением компонентов по длине (состав начала и конца кристалла одинаков и соответствует составу шихты), имеющий радиационную стойкость 10⁶ рад, радиационную длину 1,07 см, плотность 7,45 г/см³, твердость (146,2±7,6) кг/мм² по Виккерсу при нагрузке 0,1 кг/мм (фиг.7), температуру плавления (750 ±5)^оС, не имеющий четко выраженных плоскостей спайности.

П р и м е р 2. Монокристалл состава Pb_0,70Cd_0,30F₂ получают в аналогичных (см. пример 1) условиях, но скорость опускания тигля составляет 12 мм/ч. Получают кристаллы диаметром 30 мм, высотой 75 мм хорошего оптического качества со стабилизированной высокотемпературной кубической фазой, с равномерным распределением компонентов по длине, имеющий твердость (135 + 4) кг/м² (фиг.7) температуру плавления (750 ±5)^оС, не имеющий четко выраженных плоскостей спайности.

П р и м е р 3. Монокристалл состава Pb_0,66Cd_0,34F₂ получают в аналогичных условиях (см. пример 1), но со скоростью опускания 5 мм/ч. Получают кристалл диаметром 30 мм, высотой 80 мм, хорошего оптического качества со стабилизированной высокотемпературной кубической фазой, с равномерным распределением компонентов по длине кристалла, имеющий твердость (156 ±4) кг/мм² (фиг. 7), температуру плавления (750± 5)^оС, но не имеющий плоскостей спайности.

П р и м е р 4. Из шихты состава Pb_0,60Cd_0,40F₂ в аналогичных (см. пример 1) условиях со скоростью протяжки тигля 5 мм/ч получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 75 мм, имеющий неоднородное распределение компонентов по длине и ярко выраженную ячеистость (фиг.5), сильно ухудшающую оптическое качество. Твердость составляет (163,83 ±6,68) (174,36 ±6,96) кг/мм² (фиг.4), плотность 7,45-7,475 г/см³.

П р и м е р 5. Из шихты состава Pb_0,74Cd_0,26F₂ в аналогичных (см. пример 1) условиях со скоростью протяжки тигля 5 мм/ч получают кристалл диаметром 30 мм и высотой 76 мм, имеющий неоднородное распределение компонентов по длине и ярко выраженную ячеистость (фиг.6), сильно ухудшающую оптические качества материала. Твердость составляет (110,55±2,8) (134±3,7) кг/мм² (фиг. 7).

Из примеров 1-3 видно, что кристаллы составов Pb_1-xCd_xF₂, где 0,30≅X≅0,34, отличаются от составов с X < 0,30 и Х > 0,34 (см. примеры 4 и 5) тем, что имеют более низкую температуру плавления, постоянный состав, плотность и твердость по длине кристалла, а также в них отсутствует ячеистая структура. Перечисленные факторы улучшают рабочие характеристики черенковских радиаторов.

Формула изобретения

Оптический материал для регистрации черенковского излучения на основе PbF₂, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 30 34 мол. CdF₂ с образованием твердого раствора Pb_1-x Cd_xF₂ (0,30 ≅ x ≅ 0,34) кубической модификации без включений второй фазы, имеющего радиационную стойкость до 10⁶ рад, температуру плавления 750 + 5^oС и твердость 135 156 кг/мм².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8