Николай Юшкин - Оптический флюорит

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 мм 2). 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∙10 11вТ/см 2(λ = 1,06 мкм; τ = 50 нс; площадь светового пятна в фокусе линзы 0,03 мм 2). 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].