一种大尺寸板状NaI晶体的水平定向结晶生长方法及晶体

本发明涉及晶体生长领域，具体地，涉及一种大尺寸板状nai晶体的水平定向结晶生长方法及晶体。

背景技术：

1、近年来，随着科技的进步，核物理、土壤检测和贸易安检等领域应用到的大型辐射探测装置对大尺寸闪烁晶体的需求日益增长，迫切需要开发出大尺寸，高性能的闪烁晶体。碘化钠（nai）晶体是一种重要的无机闪烁材料，因其较高的光输出和良好的能量分辨率，被广泛应用于辐射探测、高能物理、医疗成像（如pet、spect）及安全检测等领域。其中，掺铊碘化钠（nai:tl）晶体因综合性能优异，是目前应用最广泛的闪烁体之一。当前，大型探测装置与高精度成像系统对大尺寸、高能量分辨率且几何形态为板状的碘化钠晶体需求日益迫切，这对晶体生长技术提出了更高要求。

2、现有技术中，大尺寸nai:tl晶体的主流制备方法包括坩埚下降法与提拉法。其中，坩埚下降法技术最为成熟，可单炉生长单根乃至多根晶体，因而在国内工业界得到广泛应用。提拉法则因其便于观察固液界面，更适合生长直径超过300mm的高质量晶体。然而，这两种方法在生长大尺寸晶体时均存在一定的局限性：

3、传统工艺受轴对称热场限制，一般只能生长柱状晶锭。为获得所需板状结构，必须对晶锭进行大量机械加工，导致材料利用率通常低于50%，并不可避免地在晶体中引入微裂纹、损伤层及残余应力，严重损害晶体的光学均匀性与长期使用的机械可靠性。

4、碘化钠晶体本身热膨胀系数大、热导率低，对热应力极为敏感。在垂直生长过程中，晶体自重与轴向温度梯度共同作用，使得热应力问题在大尺寸条件下尤为突出，极易引发晶体开裂或产生高密度位错。为抑制开裂，工艺上不得不将生长速率限制在1-3mm/h的较低水平，导致单晶生长周期长达数周甚至数月，生产效率低下，难以满足规模化需求。

5、对于掺铊（nai:tl）晶体，垂直生长体系内熔体深度大，强烈的热梯度会引发剧烈的自然对流。这种对流扰乱了固-液界面前沿的溶质边界层，造成铊离子在晶体轴向与径向的严重分凝，致使不同部位的发光强度与能量分辨率不一致，直接影响探测器的校准精度与成像质量。即便是生长本征纯nai晶体，不稳定的熔体流动也易导致生长界面波动，从而裹挟杂质或形成气泡、亚晶界等缺陷，影响其光学质量。

6、综上，传统垂直生长技术难以在保证晶体质量的前提下，兼顾大尺寸板状碘化钠晶体对形态、效率、均匀性与成本的控制。因此，发展一种能够直接成形板状晶体、有效抑制热应力与熔体对流、并适用于本征与掺杂碘化钠的新型生长方法，已成为行业亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大尺寸板状nai晶体的水平定向结晶生长方法及晶体，晶体的整个生长过程在水平炉内进行，经过预热区、第一梯度区、熔化区、第二梯度区和退火冷却区，得到高品质、低缺陷、生长周期短、取材率高的大尺寸板状nai晶体。

2、为实现上述技术效果，本发明采用如下所述技术方案：

3、根据本发明的第一个方面，提供一种大尺寸板状nai晶体的水平定向结晶生长方法，所述方法包括：

4、步骤s1、真空环境烘料：将原料装入舟型坩埚中，盖上石墨坩埚盖板；再把坩埚放入水平生长炉中，关闭炉膛；打开真空泵，将炉内真空度抽至0.1pa以下，打开加热电源，使预热区、熔化区、退火冷却区温度在同一温度，范围为200-300ºc，保温20小时；

5、步骤s2、形成梯度温区：升高预热区温度为500-600ºc，升高熔化区温度为650-800ºc，升高退火冷却区温度为300-500ºc，升温时间10小时，温度稳定后，再保温20小时；具体地，预热区与熔化区之间通过第一隔热环分隔并形成第一梯度区，熔化区与退火冷却区之间通过第二隔热环分隔并形成第二梯度区；

6、步骤s3、晶体生长：打开坩埚移动机构，使坩埚以3-15mm/h的速度移动，直至结晶过程结束；

7、步骤s4、退火冷却：坩埚末端进入退火冷却区后，原料结晶过程结束，关闭坩埚移动机构；退火时间不少于20小时，随后再以不高于15ºc/h的速率降至室温，生长过程结束，获得大尺寸板状nai晶体。

8、进一步地，所述方法采用水平定向结晶炉，水平定向结晶炉内设置有预热区、第一梯度区、熔化区、第二梯度区和退火冷却区五个温区结构，水平移动装有原料的坩埚，使得原料在预热区中以固态形式存在，在第一梯度区中完成向熔融态转变；原料在熔化区中处于熔融态，在第二梯度区中完成向单晶态转变。

9、进一步地，在晶体生长过程中，原料与熔体的固-液界面始终处于第一梯度区内，晶体与熔体的固-液界面始终处于第二梯度区内。

10、进一步地，装入舟型坩埚中的原料是nai粉末与tli掺杂剂按化学计量比混合均匀制备成结晶原料，且tl的掺杂浓度为0-1.0mol%。

11、进一步地，所述舟型坩埚沿长度方向的一端设计为尖角结构或设置有籽晶槽，另一端为用于容纳原料的原料腔；所述舟型坩埚还包括可拆卸连接的盖板，所述盖板覆盖于所述舟型坩埚的顶部开口处。

12、进一步地，当所述舟型坩埚沿长度方向的一端设计为尖角结构时，所述尖角的角度为60°-120°，且初始时将舟型坩埚具有所述尖角结构的一端定位于熔化区与第二梯度区的交接处；当舟型坩埚沿长度方向的一端设计为籽晶槽时，所述籽晶槽配置为容纳取向为<100>或<111>晶向的碘化钠单晶籽晶，且将舟型坩埚具有所述籽晶槽的一端定位于第一梯度区的预设位置。

13、进一步地，所述舟型坩埚的材质选自石英、高纯石墨或热解氮化硼中的一种，且坩埚内壁经过疏水处理或涂覆有脱模层。

14、根据本发明的第二个方面，提供一种大尺寸板状nai晶体，采用如上任一所述的大尺寸板状nai晶体的水平定向结晶生长方法制备，所述晶体的体积不小于1l，且在662kev下的能量分辨率小于等于8%。

15、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

16、1、本发明提供的大尺寸nai晶体的水平定向结晶生长方法及晶体，通过沿轴向依次设置预热区、第一梯度区、熔化区、第二梯度区和退火冷却区，并采用分区独立控温技术，构建了空间上精确分布的特定温场，通过调节第一梯度区和第二梯度区的厚度，形成有效的热障隔离了各个温区，降低了热量串扰，并协同控制预热区、熔化区和退火冷却区的温度，实现了将熔体精确限制在熔化区内的目标，保证了熔区的稳定性。这种精准的热场控制为晶体的高质量生长奠定了基础。

17、2、本发明提供的大尺寸nai晶体的水平定向结晶生长方法及晶体，利用水平浅熔池构型结合水平定向区熔技术，在第二梯度区形成稳定的结晶生长温度梯度，使生长前沿形成局部熔区，由于熔体深度远小于表面积，自然对流被有效抑制，溶质传输由对流主导转变为扩散主导，从而显著缓解了tl⁺离子在固液界面的分凝积累，大幅提升了晶体轴向与径向的掺杂均匀性。同时，大表面积熔体界面有利于杂质挥发，生长过程中部分密度较轻的杂质或气泡上浮至自由表面，从而被排除在主体晶体之外，并结合杂质分凝原理实现原料的原位熔融提纯，有效降低晶体内部杂质含量，显著提升光学质量。

18、3、本发明提供的大尺寸nai晶体的水平定向结晶生长方法及晶体，通过水平定向结晶工艺，将生长方向与重力方向解耦，消除了晶体自重与热应力的叠加效应，从根本上大幅降低了宏观裂纹风险，使得晶体生长速率可提升至3~15mm/h，相较于传统方法显著缩短了生产周期，提高了生产效率。

19、4、本发明提供的大尺寸nai晶体的水平定向结晶生长方法及晶体，采用矩形截面舟型坩埚直接生长出板状晶体，实现近净成形，提升材料利用率，降低制造成本。