Оптический флюорит

Кристаллы с заданными свойствами

Современной технике нужны кристаллы оптического флюорита не только с высокой степенью прозрачности, но и с определенными другими оптическими свойствами, иногда очень строго нормируемыми. Требования обеспечить у выращиваемых кристаллов конкретные показатели или специфические свойства в последнее время становятся очень жесткими. Это связано в первую очередь с развитием оптической техники.

В новых приборах «рабочими» становятся зачастую такие свойства кристаллов флюорита, которые раньше не привлекали внимания, не контролировались и не нормировались. Так, в космическом приборостроении оптические детали из флюорита должны быть радиационно устойчивыми. Лазерная техника на одно из первых мест выдвигает требование высокой лучевой прочности и однородности кристаллов, отсутствия разориентированных блоков. Приборы для люминесцентного анализа должны включать детали только из нелюминесцирующего флюорита, в поляризационной оптике не допускается двойное лучепреломление. Для ряда технических устройств требуется крупногабаритная оптика — детали размером в несколько десятков дециметров.

Свойства и качество искусственных кристаллов определяются двумя главными факторами: а) составом и свойствами исходного сырья и б) особенностями ростового процесса. Оперируя этими двумя факторами, очевидно, и можно управлять свойствами кристаллов.

Зависимость качества искусственных кристаллов флюорита от исходного сырья была замечена еще при первых удачных кристаллизационных экспериментах. Об этом писали и создатели промышленной технологии Д. Стокбаргер [Stockbarger, 1949] и И. В. Степанов [Степанов, Феофилов, 1957].

О проблеме использования синтетического фтористого кальция мы подробно говорили выше, поэтому здесь остановимся только на главном исходном сырье — природном флюорите.

Одно из первых специальных исследований, проведенных с целью разработки критериев отбора природного флюорита для получения искусственных оптических кристаллов, было проведено Г. Б. Бокием и О. Г. Козловой [1957]. Они опробовали флюорит ряда месторождений Восточного Забайкалья, Средней Азии, Казахстана, провели ряд опытных выращиваний и пришли к выводу, что хорошие кристаллы могут быть получены только из определенных разностей флюорита далеко не всех месторождений. Авторы совершенно правильно определили причину низкого пропускания и появления многочисленных полос поглощения в высоком содержании редких земель, подчеркивая в то же время, что незначительная примесь редкоземельных элементов не снижает пропускания и даже оказывается полезной, снижая фотохимическую чувствительность кристаллов.

Г. Б. Бокий и О. Г. Козлова предложили использовать в качестве критерия отбора флюорита для кристаллосинтеза характер спайности, но он не привился на практике, оказавшись неоднозначным.

Рис. 19. Спектры пропускания искусственных кристаллов оптического флюорита, выращенных из природного сырья различных месторождений

1 — стандарт; 2 — из флюорита гидротермальных месторождений; 3, 4 — из флюорита пегматитовых месторождений

Рис. 20. Спектры пропускания кристаллов флюорита, выращенных из различных типов природного сырья пегматитовых месторождений [Волкова и др., 1973]

Исследование флюорита пневматолито-гидротермальных месторождений Урала [Калита и др., 1973] также установило его ограниченную применимость как сырья для получения оптических монокристаллов по той же причине высокого содержания редких земель, стронция, бария, бора. Даже специальные методы выращивания, в том числе и в условиях фторирования, не помогли избавиться от вредного влияния примесей.

С позиций пригодности для выращивания оптических монокристаллов был исследован флюорит практически всех месторождений СССР. Он в этом отношении оказался исключительно разнородным (Черневская и др., 1973; Юшкин и др., 1977].

В 60—70-е годы главным сырьевым источником для ростовых производств были флюоритовые месторождения пегматитового типа главным образом Казахстана [Самсонов, Савельев, 1980]. На примере этого сырья особенно ярко выступают все положительные и отрицательные качества природного флюорита.

Флюорит в пегматитовых месторождениях встречается в виде крупных мономинеральных скоплений, поэтому обогащение сырья, получение концентрата и подготовка крупки для шихты не вызывают особых затруднений. Характерной минералого-технологической особенностью этого флюорита является большое (5—12) число разновидностей с различным содержанием редкоземельных элементов. Из каждой такой разновидности получались искусственные кристаллы с резко различными оптическими свойствами, особенно сильно меняющимися в ультрафиолетовой и видимой областях спектра (рис. 19). Так, для монохроматического света с λ = 205 нм пропускание τ_λ, изменяется от 10 до 75%, для λ = 306 нм — от 10 до 80%, для λ = 400 нм — от 60 до 90% и т. п. Поэтому кристаллы каждой выращенной партии приходилось контролировать по всем показателям качества.

Для обеспечения стабильных оптических показателей хотя бы по отдельным типам выращиваемых кристаллов при использовании такого разнородного сырья вводится дополнительная трудоемкая операция — сортировка природного флюорита по минералогическим признакам на макро- и микроуровне (по цвету, прозрачности, характеру излома и т. п.). Например, флюорит одного из месторождений подразделяется на пять типов (табл. 3) [Волкова и др., 1973]. Спектральные характеристики кристаллов, полученные из каждого типа сырья, даны на рис. 20. Такая сортировка увеличивает вероятность получения нужных параметров у выращенных кристаллов и позволяет сократить объем контрольных операций. Кроме того, для повышения пропускания кристаллов из этого сырья их выращивание проводилось в режиме фторирования [Черневская, Калита, 1972]. Эти приемы (сортировка и фторирование) позволяют несколько повысить качество получаемых кристаллов. Нелюминесцирующие кристаллы получаются из нелюминесцирующего природного флюорита, который отбирают при ультрафиолетовом освещении из общей массы флюорита.

Таблица 3. Минералого-технологические разновидности природного флюорита одного из пегматитовых месторождений Казахстана [Волкова и др., 1973]

Примечание. Во всех разновидностях, кроме указанных в таблице изоморфных примесей, постоянно присутствуют Si — 0,1%; Al — сл.; Mg — 0,03; Fe — сл. — 0,001%

Рис. 21. Спектры пропускания природного флюорита (1) и выращенных из него искусственных кристаллов (2—4) в ИК-области

Практика показывает, что для получения высококачественных оптических монокристаллов оптического флюорита наиболее подходящим является природный флюорит с низким (порядка 0,003%) содержанием редких земель, представленных преимущественно Dy³⁺, в меньшей мере Sm³⁺ и Yb²⁺, и других элементов-примесей, нелюминесцирующий или слабо люминесцирующий, устойчивый к действию ионизирующего излучения.

Такой флюорит содержат многие месторождения гидротермального типа, сформировавшиеся в относительно низкотемпературных условиях, в частности ныне выработанные месторождения Средней Азии [Смольянинов. 1935]. Весьма перспективен флюорит Уральско-Новоземельской провинции, он удобен и технологически [Юшкин и др., 1982], так как высокая чистота его мономинеральных скоплений, многие из которых являются деформированными монокристаллами (фото 12, см. вкл.), позволяет исключать ряд операций по подготовке исходного сырья, вплоть до химической очистки. Пропускание искусственных кристаллов значительно выше, чем исходного сырья (рис. 21).

При существующей расплавной технологии выращивание кристаллов флюорита методом Шамовского—Стокбаргера—Степанова в наиболее полной форме оправдывается принцип наследования: полученные кристаллы наследуют состав и многие свойства исходного материала. Варьируя технологическими особенностями процесса, можно изменить лишь те свойства, которые не зависят или мало зависят от состава. Поэтому выбору исходного материала и предварительному изучению его физико-химических особенностей должно уделяться особое внимание.

Все главные физические свойства, определяющие особую ценность оптического флюорита, связаны прямо или косвенно с особенностями его состава, поэтому получение кристаллов с заданным химическим составом — один из важнейших рычагов управления их свойствами.

Опираясь на принцип наследования, можно получить кристаллы с определенным составом и содержанием примесей, используя в качестве исходного материала соответствующие химические разности природного флюорита. Этот, так сказать, пассивный путь — наиболее легкий и эффективный, так как не требует никаких специальных приемов, дополнительных операций и затрат. Было бы подходящее исходное сырье с точно установленными физико-химическими параметрами. Но далеко не всегда имеется такое сырье, поэтому приходится выбирать более тяжелый, но надежный активный путь: вводить в получаемые кристаллы нужные примеси в необходимых количествах, т. е. легировать кристаллы. Однако последние могут содержать какое-то количество своих примесей, и можно ошибиться в дозировке. Поэтому при необходимости точной дозировки легирование производится по очищенной основе.

Получение кристаллов с заданным составом складывается, таким образом, из двух этапов: выращивания особо чистых кристаллов флюорита и получения на их основе кристаллов с введенными примесями (легирование кристаллов).

Получение особо чистых кристаллов флюорита. Кристаллы флюорита высокой степени чистоты можно получить многими методами [Методы..., 1969], в том числе любым методом направленной кристаллизации (методами Наккена—Кирополуса, Чохральского), рассмотренными выше. Особенно хорошие результаты дает метод зонной плавки, заключающейся в последовательном переплавлении и перекристаллизации блока шихты или флюоритового бруска. Перекристаллизацию можно проводить неоднократно; в результате все примеси будут «загнаны» в один конец слитка.

Эффективная очистка от примесей может проводиться и главным «флюоритовым» методом — методом Шамовского—Стокбаргера—Степанова [Guggenheim, 1963], но организованным так, чтобы высота расплава при перемещении границы кристалл—расплав все время оставалась постоянной, обеспечивая стабильность процесса кристаллизации и накопления примесей в остаточном расплаве. Этим условиям отвечает метод горизонтальной направленной кристаллизации в контейнере-лодочке (рис. 22). Рост кристалла происходит на затравку, установленную в «носике» лодочки, примеси скапливаются на конце кристалла, противоположном затравке. Для получения кристаллов этим методом созданы установки типа «Сапфир».

Рис. 22. Схема горизонтальной направленной кристаллизации

1 — затравка; 2 — кристалл; 3 — расплав; 4 — контейнер-лодочка; 5 — нагреватель

Легирование кристаллов флюорита. Главным компонентом шихты для выращивания легированных кристаллов является либо особо чистый природный флюорит, либо флюорит, очищенный одним из охарактеризованных выше методов перекристаллизации. К шихте примешиваются в определенном количестве соединения того элемента, который вводится в кристаллы флюорита. Чаще всего возникает необходимость активирования кристаллов редкоземельными элементами, методика которого достаточно хорошо разработана [Воронько и др., 1965; Шамовский и др., 1970; Guggenheim, 1961]. Особенностью методики является то, что элементы-примеси, которые существуют в стабильных соединениях в более высоковалентных состояниях, а в кристалл флюорита должны войти в форме соединения низшей валентности, в процессе кристаллизации восстанавливаются углеродом (например, от Dy³⁺ в DyF₃ до Dy²⁺ в CaF₂). Углерод добавляется в шихту в виде спектрально чистого графита вместе с активатором (TRF₃) и раскислителем (PbF₂ или CdF₂). Также достаточно просты методики получения и других смешанных кристаллов, например CaF₂—SrF₂.

Управление основными свойствами кристаллов осуществляется, как мы неоднократно подчеркивали, через состав, но многие свойства можно изменять в ту или иную сторону. Здесь мы расскажем о некоторых приемах обеспечения определенных физических свойств искусственных кристаллов флюорита.

Моноблочность и однородность. При использовании монокристаллов флюорита в нелинейной оптике, в частности для изготовления активных элементов лазеров, в качестве одного из основных требований выдвигается моноблочность кристаллов и отсутствие в них даже малоугловых границ [Никогосян, 1977].

По существующей промышленной технологии, применяя самые «мягкие» режимы роста и отжига, можно получить монокристаллы флюорита относительно небольших размеров с разориентировкой блоков мозаики в 10—20 угловых минут. Они вполне удовлетворяют требованиям квантовой электроники, но их получение — скорее результат случая, чем решения поставленной технологической задачи. Моноблочные кристаллы выискивают в партиях обычной продукции.

Как показывает теоретико-экспериментальный анализ причин возникновения микро- и макронесовершенств оптических кристаллов [Мильвидский, Освенский, 1975], метод Шамовского—Стокбаргера—Степанова мало перспективен для получения моноблочных и малодислокационных кристаллов. Возникновению несовершенств здесь способствует много факторов: отсутствие совершенной затравки, содержащей своего рода код для правильного встраивания частиц, жесткая форма тигля, взаимодействие расплава со стенками тигля, большие температурные градиенты в кристаллизующемся блоке и т. п.

Добиться почти полной моноблочности можно в том случае, если применить к выращиванию кристаллов флюорита метод Чохральского, особенно его вариант регулируемого формообразования, известный как метод Степанова. При этом необходимо использование бездефектных затравок и проведение процесса кристаллизации в условиях малых температурных градиентов.

Неравномерность теплового поля вокруг и внутри растущего кристалла является также причиной неравномерного распределения структурных дефектов. Оно проявляется через неравномерность распределения окраски под действием ионизирующего излучения (фото 13, см. вкл.). Участки с аномальным двойным лучепреломлением возникают в основном по той же причине [Arizumi, Kobayashi, 1969]. Для снижения плотности и интенсивности этих дефектов кристаллы выращивают при минимальных градиентах (не более 10° С в объеме слитка), выдерживая плоскую форму фронта кристаллизации. Для ответственных оптических изделий вырезаются блоки из менее дефектных центральных частей слитков.

Люминесценция. Различные виды люминесценции кристаллов флюорита являются серьезным препятствием для их использования в специальной микроскопной и спектральной оптике, поэтому задача получения нелюминесцирующих кристаллов решается на любом ростовом предприятии.

Еще в 50-х годах П. П. Феофилов [Степанов, Феофилов, 1956] обратил внимание на зависимость характеристики люминесценции искусственных кристаллов от условий их выращивания. Глубокий анализ взаимосвязи явлений люминесценции с составом, содержанием и особенностями вхождения в решетку кристалла различных примесей, с механизмами роста, температурно-временными параметрами отжига, состоянием воздушной среды при росте и отжиге кристаллов и другими факторами был сделан А. М. Прохоровым и В. В. Осико [1975]. Эти исследования позволяют разрабатывать методики получения кристаллов с определенным тоном люминесценции главным образом путем введения примесей. Однако для получения нелюминесцирующих кристаллов наиболее надежным остается пока пассивный путь: использование нелюминесцирующих разностей исходного сырья. Но и в этом случае для достижения положительных результатов требуется принятие специальных мер, в частности соблюдения высокой чистоты всей оснастки, поддержания высокого вакуума (10^-5 и 10^-6 мм рт. ст.).

Флюорит из месторождений пегматитового типа мало пригоден для получения нелюминесцирующих кристаллов. Проблему удалось решить благодаря освоению флюорита из гидротермальных месторождений [Юшкин и др., 1977, 1982].

Остановимся кратко на особенностях люминесценции природного флюорита гидротермальных месторождений и выращенных из него кристаллов.

Природный флюорит. Фотолюминесценция при возбуждении УФ-источником (λ_возб = 366 и 237,5 нм) для флюорита, как правило, не характерна. Свечение и послесвечение отмечаются только вблизи кальцитовых прожилок и усиливаются после γ-облучения образцов. Для флюорита из ряда районов при температуре жидкого азота обнаруживается желто-зеленое свечение и послесвечение, свидетельствующее о присутствии иттербия и характерное для флюорита ранних стадий постмагматического процесса.

Термолюминесценция флюорита изучалась в интервале 20—370° С. Для общей совокупности кривых термовысвечивания характерны пять главных максимумов, по-разному выраженных на конкретных кривых, которые отличаются существенным разнообразием. Эти максимумы локализуются главным образом в интервалах: до 80, 140—160, 230—240, 270—300 и 330—360° С. Они могут быть приписаны определенным центрам: дырочным F_i⁰ (80° C), YO₂⁰ (140—160° С) и донорно-акцепторным парам O^-—TR²⁺ и TR²⁺—TR⁴⁺ (230—240, 270—300 и 330—360° C).

Спектры рентгенолюминесценции снимались в интервале 200—800 нм. Выделяются два их типа: спектры с интенсивными линиями редкоземельных элементов (рис. 23, а) и спектры, в которых линии редкоземельных элементов практически не фиксируются, а наблюдается лишь излучение на собственных дефектах решетки (рис. 23, б). Особенности спектров рентгенолюминесценции отражают величину концентрации редкоземельных элементов, поэтому можно попытаться сравнить их по относительному содержанию TR, используя в качестве компонента сравнения интенсивность самой характерной линии λ_{576 нм} (Dy³⁺_куб). Флюорит Урала оказался относящимся к первому «редкоземельному» типу с переменным содержанием редких земель иттриевой группы. Наиболее интенсивными линиями Dy³⁺_куб с I_λ(576) ≈ 150—300 усл. ед. характеризуется светло-фиолетовый и бесцветный флюорит. Флюорит всех других районов относится ко второму, «нередкоземельному» типу, хотя в отдельных пробах наблюдается присутствие незначительных количеств TR, фиксируемых линиями слабой интенсивности.

Рис. 23. Два типа спектров рентгенолюминесценции природного флюорита

а — «редкоземельный», б — «беспримесный»

Рис. 24. Изменение спектров пропускания кристаллов флюорита в результате γ-облучения и последующего нагревания

1 — типичная кривая пропускания необлученных кристаллов; 2—4 — пропускание кристаллов после γ-облучения с дозой 5 Мрад (окраска: 2 — голубая, 3 — синяя, 4 — бурая); 5—7 — пропускание облученных кристаллов после нагревания при t = 100° С в течение 1 ч (окраска: 5 — голубая, 6 — синяя, 7 — бурая)

Искусственные монокристаллы. Эксперименты, проведенные с флюоритом Амдерминского месторождения, показали, что полученные из него синтетические монокристаллы в основной массе не люминесцируют при возбуждении как λ_возб = 366, так и 237,5 нм. Люминесцирующими зеленым цветом оказались кристаллы, полученные из проб, взятых с определенных участков, имеющие в УФ-области полосы поглощения 200—210 нм. Особенно интенсивная люминесценция у этих кристаллов обнаруживается при возбуждении коротким ультрафиолетом вблизи полосы поглощения (λ_возб = 237,5 нм). Именно эти кристаллы при γ-облучении приобретают интенсивную радиационную окраску. Нелюминесцирующие же кристаллы характеризуются слабо выраженной радиационной окраской. Слабая фиолетовая люминесценция характерна для монокристаллов из южноновоземельского флюорита при возбуждении 366 нм. Кристаллы из южнопайхойского флюорита при возбуждении 366 нм не люминесцируют.

Характер люминесценции синтетических монокристаллов CaF₂ определяется структурой центров излучения, наследуемой от исходного природного флюорита, и зависит от состава и содержания редкоземельных элементов. Сравнительно низкое содержание последних во флюорите месторождений Уральско-Новоземельской провинции определило его как основной источник получения нелюминесцирующих оптических монокристаллов.

Радиационная устойчивость. Проблема повышения радиационной устойчивости встала сразу же, как только была разработана технология выращивания кристаллов, так как искусственные кристаллы отличались высокой фотохимической чувствительностью. Еще П. П. Феофилов и И. В. Степанов [Степанов, Феофилов, 1956, 1957] обращали внимание на тот факт, что искусственные кристаллы окрашивались под действием радиоактивного излучения.

Й. Йиндра и Й. Филип [1965] и Э. Г. Черневская [1969], исследовавшие влияние γ-облучения на спектральное пропускание флюорита, показали, что кристаллы, выращенные из природного плавикового шпата, в вакууме уже при дозе 7,5∙10⁴ рад становятся практически непрозрачными. Для повышения радиационной стойкости Э. Г. Черневская предложила выращивать кристаллы во фторсодержащей атмосфере, а Й. Йиндра — из синтетического сырья. Полученные таким образом кристаллы имели более высокую радиационную стойкость, однако доза порядка 10⁶ рад также приводила к их окрашиванию и существенному снижению спектрального пропускания в коротковолновой и видимой областях спектра.

Как установили Е. Д. Каплан, В. М. Рейтеров и др. [1977], γ-облучение с дозой 7,5∙10⁴ рад приводит к наведению в кристаллах, полученных из синтетических препаратов GaF₂, полос поглощения 325, 385 и 605 нм. Их природа связана с F- и F₂-агрегатными центрами окраски, образование которых вызвано захватом примесных ионов кислорода и натрия.

Следовательно, радиационную устойчивость искусственных кристаллов можно повысить, регулируя ростовой режим. Однако наиболее эффективное решение проблемы, как и во многих других случаях, дает использование соответствующих разностей природного исходного сырья.

Эту проблему мы исследовали на примере флюорита Урала [Юшкин и др., 1982]. С целью изучения радиационной устойчивости кристаллов, установления природы структурных дефектов и определения технологических следствий радиационного воздействия выращенные кристаллы флюорита были подвергнуты γ-облучению радиоактивным изотопом цезия ¹³⁷Cs до получения интегральной дозы 5 Мрад. В особых случаях набиралась доза до 30 Мрад. В результате облучения первоначально бесцветных кристаллов появилась окраска, различная по характеру и интенсивности. Можно выделить несколько видов радиационной окраски кристаллов: фиолетовую, синюю (голубую), сиреневую, желтую и зеленовато-коричневую.

На некоторых участках одного из месторождений были выявлены разности радиационноустойчивого в отношении окрашивания флюорита. Радиационная окраска их светло-голубая, весьма слабая. Светопропускание этих кристаллов в результате облучения изменяется незначительно, оставаясь практически на дорадиационном уровне. Нагревание кристаллов при температуре 100° C в течение 30 мин уже заметно ослабляет окраску, а через 1 ч окраска исчезает почти полностью (рис. 24). Флюорит, из которого получены эти кристаллы, отличается высокой «стерильностью» в отношении элементов-примесей, в том числе и редкоземельных.

У монокристаллов с явно выраженными до облучения полосами поглощения в области 200—210 нм при γ-облучении отмечается окраска желто-коричневых тонов, иногда с зеленоватым оттенком. Для них характерно интенсивное поглощение в коротковолновой части спектра вплоть до 400—450 нм, что и обусловливает желтую окраску кристаллов. В спектре фиксируются полосы поглощения 400, 450, 500 и 630 нм. Желтая окраска довольно устойчива при 100°C. Заметное ослабление ее интенсивности наступает после 1,5-часового прогрева. Бурая же (коричневая) окраска исчезает легко уже после 30-минутного нагревания. Поэтому кристаллы с полихромной желтовато-бурой радиационной окраской в результате такого кратковременного прогрева при 100°С приобретают чистый желтый цвет. Одновременно улучшаются и спектральные характеристики — возрастает пропускание по всему спектру: в УФ-области до 30—60%, одновременно в спектре выявляется структура (полосы поглощения 260 и 335 нм), в видимой же области исчезает полоса 630 нм, а τ возрастает до 80%.

Для кристаллов, выращенных из флюорита другого месторождения, характерна очень интенсивная радиационная окраска, в большинстве случаев темно-фиолетовая, непросвечивающая. Кроме того, они обладают высокой устойчивостью к температурному воздействию. Если при нагревании в течение 30 мин (100°С) окраска становится светло-фиолетовой и светопропускание заметно увеличивается (в УФ-области возрастает до 35—60%), то дальнейшее нагревание в течение 5 ч к существенному ослаблению интенсивности окраски не приводит.

Для монокристаллов, полученных из флюорита еще одного месторождения, характерна весьма разнообразная радиационная окраска — синяя, кирпичная, причем интенсивность ее очень высокая (τ = 0%). Разнообразно и их поведение при нагревании. Кристаллы с интенсивной кирпичной радиационной окраской после нагревания в течение 1 ч приобретают светлую оранжевую окраску, спектральное пропускание их в УФ-области достигает 60%, а в видимой области, в полосах поглощения 370 и 500 нм — соответственно 37 и 53%. Кристаллы с интенсивной синей радиационной окраской, практически непросвечивающие, в результате нагревания при таких же условиях приобретают полихромную окраску — желтую со светло-фиолетовым оттенком. Спектры поглощения этих кристаллов имеют сложную структуру — в видимой области фиксируются слабо выраженные полосы ~370, 385, 460, 510, 560 и 630 нм.

Таким образом, подбирая исходное сырье даже из месторождений одной провинции, можно получать чрезвычайно разнообразные по реакции на ионизирующее излучение кристаллы оптического флюорита, в том числе: а) радиационноустойчивые, сохраняющие прозрачность в экстремальных условиях; б) радиационноподатливые, легко окрашивающиеся относительно небольшими дозами излучения и также легко становящиеся снова прозрачными уже при незначительном нагревании; в) радиационнонеустойчивые, приобретающие под действием излучения прочную окраску, которую нельзя устранить никакими способами.

Лучевая прочность. Требования высокой лучевой прочности к кристаллам оптического флюорита предъявляются при их использовании в качестве рабочих деталей квантовых генераторов и других технических устройств, в которых кристаллы пропускают световые пучки с большой плотностью энергии.

Управление лучевой прочностью искусственных кристаллов флюорита в настоящее время почти полностью осуществляется подбором соответствующего исходного природного материала.

Зависимость лучевой прочности кристаллов от исходного сырья была показана Н. В. Волковой и др. [1973] на примере тех пяти разностей природного флюорита, которые охарактеризованы в табл. 3. Выращенные из каждой разности кристаллы испытывались под действием модулированного излучения неодимового лазера (λ = 1,06 мкм) с длительностью импульса τ = 50 нс (площадь светового пятна в фокусе линзы 0,03 мм²). Были получены следующие пороговые значения лучевой прочности (U_порог), при которых происходит лучевое разрушение кристаллов:

Прослеживается прямая связь лучевой прочности с оптическими свойствами, в первую очередь с пропусканием кристаллов в УФ-области. Все эти свойства зависят от присутствия примесей редкоземельных элементов, особенно церия. Наименьшей лучевой прочностью характеризуются кристаллы с максимальным содержанием этих элементов, наибольшей — чистые кристаллы, например полученные из синтетических солей фтористого кальция.

На основании этих данных можно предполагать, что максимальной лучевой прочности при сохранении других высоких оптических параметров можно добиться, используя в качестве исходного сырья беспримесные разности природного флюорита.

Пороговые значения энергии оптического разрушения кристаллов, выращиваемых из такого природного флюорита, достаточно высоки и составляют 7∙10¹¹ вТ/см² (λ = 1,06 мкм; τ = 50 нс; площадь светового пятна в фокусе линзы 0,03 мм²). Эти значения находятся на уровне наиболее прочных в настоящее время оптических сред.

Аналогичные приемы, в первую очередь подбор исходного сырья и операции с ним, применяются и для достижения других требуемых качеств кристаллов. Со многими из них можно ознакомиться в специальной литературе [Соболевский и др., 1936].

Сложность изготовления оптических изделий из кристаллических моноблоков — буль и большое количество образующихся при этом отходов, значительно превышающее объем готовой продукции, поставили задачу выращивания кристаллов строго заданной формы, близкой к форме изготовляемых деталей.

Общие принципы формообразования при выращивании кристаллов из расплавов были разработаны в нашей стране А. В. Степановым. Им же была разработана промышленная технология получения монокристаллических изделий определенной геометрической формы (листов, панелей, труб, прутков и т. п.) методами вытягивания из расплавов.

Принцип формообразования, по А. В. Степанову [1975, с. 67], заключается в следующем: «Форма, или элемент формы, которую желательно получить, создается первоначально в жидком состоянии за счет различных эффектов, позволяющих жидкости сохранить форму; затем сформированный объем жидкости переводится в твердое состояние в результате подбора соответствующих условий кристаллизации».

Этот принцип был применен Э. Г. Черневской, Е. А. Симун и А. И. Стожаровым [1970] к кристаллам флюорита, выращиваемым методом Шамовского—Стокбаргера—Степанова.

Исследования механизма роста кристаллов, проведенные этими авторами, показали, что вопреки общепринятому мнению кристаллизация расплава в виде моноблоков возможна и без четко выделенного затравочного центра. Рост монокристалла может начинаться от поверхности любой пространственной конфигурации — плоской, вогнутой, выпуклой и т. д. При определенных условиях и специально организованном теплоотводе переход расплава в монокристаллическое состояние может осуществляться не только в одной точке, но и на довольно большой площади изотермической поверхности любой формы и протяженности.

Э. Г. Черневской с соавторами было высказано предположение, что в области температуры кристаллизации расплава флюорита возникают условия, облегчающие образование монокристалла. Расплав приобретает псевдокристаллическую структуру, обеспечивающую образование монокристаллического слоя большой протяженности, играющего в дальнейшем роль затравки.

Установление возможности выращивания кристаллов без четко выделенного затравочного центра определило основные направления практического решения вопроса кристаллизации флюорита в производственных условиях [Черневская, Калита, 1972].

Основную формообразующую роль играет конструкция тигля [Черневская, 1971]. Вместо традиционного тигля в виде единого цилиндрического сосуда с конусным или полусферическим дном был предложен набор сосудов в виде стопы. Он обеспечивал получение одновременно целой серии кристаллов непосредственно в форме заготовок оптических деталей. В соответствии с принятым способом симметрично-кругового нагрева внешняя форма сосудов осталась цилиндрической, но теперь они имели плоские днища и свободно устанавливались друг над другом. Внутренняя плоскость каждого сосуда имеет форму и размеры кристаллизуемой заготовки или содержит гнезда для выращивания заготовок кристаллов меньших размеров и иной конфигурации.

На рис. 25 показаны различные варианты кристаллизационных тиглей, используемых при выращивании кристаллов флюорита в виде дисков. В верхней части стопы форм размещается резервуар (бункер), обеспечивающий максимальное заполнение тиглей расплавом. В дне бункера и каждого из сосудов, кроме нижнего, вытачиваются отверстия для протекания расплава. Количество сосудов определяется размерами рабочей (ростовой) зоны установки и выращиваемых заготовок кристаллов. Сосуды могут быть как одинаковой, так и различной формы. Выращивание кристаллов в таких тиглях осуществляется перемещением в ростовой печи стопы всех сосудов из зоны плавления в зону с температурой ниже температуры кристаллизации. Рост кристалла начинается в нижнем сосуде и затем продолжается в каждом из вышестоящих при последовательном пересечении ими изотермы кристаллизации.

Рис. 25. Форма тигля для выращивания кристаллов флюорита в виде дисковых заготовок

При таком «групповом» способе выращивания существенное повышение качества кристаллических заготовок было достигнуто за счет усовершенствования конфигурации форм. Отверстия для протекания расплава располагаются в центре каждого гнезда и имеют конусообразную форму. При кристаллизации расплава через отверстия прорастают монокристаллы, которые служат затравками при образовании монокристаллических заготовок в гнездах верхней формы. Вероятность спонтанного образования зародышей практически исключается.

Благодаря этому методу в настоящее время кристаллы выращиваются в виде плоскопараллельных пластин, дисков, цилиндров, призм, линз, сфер, полусфер с отклонением от заданных размеров 0,1—0,3 мм (фото 14, см. вкл.).

Из них с относительно небольшими затратами труда и минимальными отходами изготовляются соответствующие оптические детали (фото 15, см. вкл.). Получение кристаллов заданной формы значительно облегчает механизацию и автоматизацию всего технологического процесса создания флюоритовой оптики, включая и кристаллизационную и обрабатывающую стадии.

Для ряда оптических производств требуются кристаллы флюорита больших размеров. Сложная проблема получения крупногабаритных оптических кристаллов флюорита была успешно решена коллективом исследователей под руководством В. А. Соколова [1979, 1980]. Ими разработана промышленная технология выращивания кристаллических заготовок диаметром 500—600 мм, толщиной 70 мм и массой до 120 кг, из которых изготовляются крупные детали (фото 16, см. вкл.).

Выращивание крупногабаритных кристаллов проводится методом Шамовского—Стокбаргера—Степанова в специальной аппаратуре с двумя или более нагревателями и системой отражающих экранов, позволяющих создавать температурное поле строго заданной структуры и вести направленный отвод тепла.

Общая схема процесса та же, что и при выращивании обычных кристаллов заданной формы, но режим кристаллизации значительно более строгий. Условиями выращивания требуется поддержание глубокого вакуума 5∙10^-5 мм рт. ст. в течение всего цикла выращивания.

Структура теплового поля должна обеспечивать отсутствие температурных градиентов в зоне расплавления шихты, но создавать большой градиент в зоне кристаллизации. Изотерма кристаллизации должна иметь плоскую форму на фронте роста кристалла. Температура части кристалла, находящейся в нижней («холодной») зоне печи, должна составлять не ниже 2/3 температуры плавления флюорита. Температурные градиенты в зоне отжига недопустимы.

Крупногабаритные кристаллы имеют высокие показатели качества, о чем свидетельствуют следующие данные по В. А. Соколову:

Преимуществом разработанной В. А. Соколовым методики является не только получение гигантских монокристаллов, но и возможность выращивания за один цикл (если использовать тигель с набором чаш различных размеров и форм) практически всей номенклатуры изделий, вписывающихся в диаметр 600 мм.

Минералоги, кристаллогенетики и технологи добились высоких результатов, полностью заменив природный флюорит искусственным и создав индустрию искусственных кристаллов с самыми различными свойствами. Но нерешенных проблем все еще остается очень много, а развивающаяся техника выдвигает новые задачи.

Кристаллотехнологи работают над совершенствованием как всего технологического процесса, так и отдельных его звеньев. Разрабатывается новое высокоэффективное оборудование, опробуются новые технологические режимы. Ростовые производства переводятся на полностью автоматизированное управление. С каждым годом увеличивается разнообразие продукции, создаваемой на основе монокристаллов оптического флюорита.

В дальнейшем необходимо разработать и освоить способы выращивания гигантских монокристаллических заготовок диаметром 1 м и даже в несколько метров. Это выведет на новый уровень наши исследования макромира, в том числе и астрономические, позволит создать уникальную лучевую технику.

Нужно сосредоточить усилия на расширении диапазона регулируемых качеств флюоритовых кристаллов, на создании кристаллов с новыми качествами. Флюорит, к сожалению, характеризуется низкими генерационными параметрами, и это ограничивает его применение в лазерной технике в качестве активных элементов лазеров. Еще одна из острых проблем — получение кристаллов флюорита с высокой концентрацией стабильных при комнатной температуре центров окраски, чего, очевидно, можно добиться введением определенных примесей. Это расширит возможности использования таких монокристаллов в качестве пассивных затворов лазеров.

Расплавный процесс выращивания кристаллов флюорита, хотя он удобен и освоен достаточно хорошо, все же требует больших энергетических затрат, кроме того, он имеет ряд пределов в достижении некоторых показателей качества кристаллов, например однородности. По-прежнему актуальными остаются поиски путей гидротермального выращивания кристаллов флюорита, а также освоение методов расплавной кристаллизации на затравку, флюсовых и других методов.

Большие перспективы связываются с получением новых кристаллических материалов на флюоритовой основе. Мы остановимся на трех из них: нитевидных кристаллах, кристаллокерамике и композиционных материалах.

Нитевидные кристаллы, или «усы», викерсы, характеризуются почти бездислокационной структурой и высокой прочностью, близкой к теоретической, и в десятки и даже сотни раз превышающей прочность объемных кристаллов [Юшкин, 1971]. При очень маленькой толщине (около 0,0n—n мкм) и несравнимо большей длине они отличаются высоким совершенством внутренней структуры. Эти необычные свойства нитевидных кристаллов открывают перед ними широкие области применения. Такие кристаллы могут быть использованы, например, в качестве гибких микросветоводов для ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений.

Попытки выращивания нитевидных кристаллов флюорита уже предпринимались [Desai, John, 1978]. Нитевидные кристаллы были получены флюсовым методом из природного флюорита под флюсом KCl или NaCl (лучшим оказался KCl). Длина их составляла около 10 мм, толщина 3—30 мкм. Удлинение по [110]. Нитевидные кристаллы вдвое меньшей величины были получены при взаимодействии фторида натрия и хлорида кальция, смешанных в стехиометрических пропорциях, и еще более мелкие — при выращивании под флюсом в запаянной вакуумированной до 10^-5 мм рт. ст. ампуле.

Во всех этих методах исходный материал с флюсом прокаливался до 1000°С и охлаждался со скоростью около 10° C в 1 ч до 300° C, а затем при выключенном нагреве — до комнатной температуры.

Полученные нитевидные кристаллы (фото 17, см. вкл.) характеризуются более высокой, чем объемные, прочностью и пластичностью: предельный радиус изгиба нитевидного кристалла, при котором изгибаемый кристалл ломается, варьирует от 8 до 12 см для кристаллов толщиной 3—30 мкм и прямо пропорционален толщине кристалла.

Исследования в области получения, изучения свойств и применения нитевидных кристаллов флюорита представляют большой интерес.

Оптическая кристаллокерамика представляет собой новый оптический поликристаллический материал, который изготовляется методом горячего прессования кристаллического порошка. Этот процесс имеет много общего с порошковой металлургией, так бурно развивающейся в последние годы.

Изготовление кристаллокерамики — перспективная техническая идея. Очень важно получить поликристаллический материал из флюорита с почти такими же оптическими характеристиками, как и монокристаллический флюорит. Такой материал будет несравнимо прочнее и тверже монокристаллического, у него будет отсутствовать спайность, поднимется термостойкость и т. п. Кроме того, горячее прессование может стать более экономичным процессом, чем кристаллизация из расплава. Самая существенная трудность — добиться полной оптической гомогенизации микрозерен.

В настоящее время различные фирмы предлагают широкую номенклатуру оптической керамики. В ней есть и несколько типов флюоритовой керамики, среди них «Иртран-3» и КО-3 (США) и JRG-12 (ФРГ).

Различные исследователи изучали оптические и другие физические свойства оптической кристаллокерамики и проводили ее сравнительный анализ со свойствами монокристаллов [Волынец, 1973; Ressler, Möller, 1966; Browder, Ballard, 1969]. Внешне оптические детали из кристаллокерамики совершенно однородны, прозрачны и не отличаются от монокристаллических (фото 18, см. вкл.). Показатель преломления n = 1,4289 (λ = 1 мкм) имеет то же значение, что и показатель преломления кристаллического флюорита. Оптическая однородность керамики не уступает однородности монокристаллов, это подтверждает голографический контроль (фото 19, см. вкл.). Градиент показателя преломления Δn не превышает 1,0∙10^-5 см^-1; относительный градиент Δn/(n—1) более 2,3∙10^-5 см^-1. Светорассеяние существенно выше, чем в монокристаллах, и обусловлено наличием большого числа вакуумных микропор и включений, размерами зерен, структурой керамики. Прозрачность керамики характеризуется границей прозрачности, т. е. длиной волны, при которой коэффициент пропускания образца толщиной 2 мм, равен 50% (без учета потерь на отражение). Для «Иртран-3» и КО-3 1-я длинноволная граница прозрачности определяется в 10,2 мкм, 2-я — в 200 мкм. Следовательно, прозрачность керамики в ИК-области вполне удовлетворительная. Оптические свойства сохраняются при нагревании до 800° C; температурный коэффициент показателя преломления dn/dt° = —16∙10⁶ для λ = 0,5461 мкм, так что оптическая керамика хорошо «работает» в высокотемпературных условиях.

Конечно, кристаллокерамика еще далека по своим показателям от того состояния, чтобы заменить оптический флюорит в тех устройствах, для которых главное значение имеет пропускание в УФ-области. Но она может и уже вытесняет флюорит в инфракрасной технике. Из флюоритовой керамики делают оптические кюветы для работы с агрессивными фторсодержащими средами. Она используется в качестве активной среды в оптических квантовых генераторах, излучающих в ИК-области спектра [Волынец, 1973], а также в ракетной технике [Swinehart, Shligoj, 1973].

Технологические исследования в области создания кристаллокерамики интенсивно ведутся сейчас во всех странах.

Композиционные материалы, в которых флюорит используется как один из компонентов двойной или тройной композиции, подобно кристаллокерамике находят в последнее время широкое применение, поскольку наряду с неплохими оптическими характеристиками отличаются высокой прочностью, износостойкостью.

Одна из технологий получения композиционных материалов [Swinehart, Shligoj, 19731 предлагает использовать в качестве исходных следующие смеси:

Тройная смесь должна иметь состав (мол. %): CaF₂ — 10; NaF — 35; LiF — 55.

Эти смеси используются как шихта в стокбаргеровском методе. Они закладываются в тигли, расплавляются в горячей зоне печи и опускаются в холодную. При определенных режимах кристаллизуется эвтектика, представляющая композиционный материал с закономерной ориентировкой субиндивидов трех фаз.

Полученные материалы прозрачны в области от 1,5 до 25 мкм, причем в интервале от 3 до 9 мкм пропускание выше 60%, а в остальной области спектра — выше 20% (для пластинок толщиной 5 мм). Полосы поглощения отсутствуют. Прочность и твердость выше, чем у кристаллических материалов, растворимость низкая. Образцы без видимых изменений претерпевают 10 циклов нагревания от 300 до 0°С.

Конечно, рассмотренными выше не ограничиваются направления поисков по созданию новых технологий и новых материалов на основе флюорита.