Оптический флюорит

Тигли. Контейнер (тигель), в котором осуществляются расплавление шихты и рост кристалла, является очень важным элементом кристаллизационной системы. Конструкцией тигля предусматривается образование затравочного центра (так как выращивание осуществляется без затравки), направленность роста, размеры и форма получаемых кристаллов.

Тигли могут изготовляться из листовой платины, молибдена и других стойких металлов. Наиболее широко в качестве тигельного материала используется графит, который устойчив к расплавам, обладает восстановительными свойствами, малочувствителен к резкому изменению температуры. В СССР для изготовления тиглей используется графит марок ОСЧ-МГ и APB-ГМ. Изготовленные из него тигли для очистки в воде прокаливаются в вакуумной печи.

Обычно тигли имеют цилиндрическую форму и конусовидное или полусферическое дно. На вершине конуса или в центре полусферы и образуется зародыш кристалла, когда опускающийся из горячей зоны печи в холодную тигель пересекает изотерму кристаллизации. Из этого зародыша вырастает монокристаллический цилиндрический блок-буля, повторяющий форму внутренней полости тигля (фото 11, см. вкл.). Для удобства извлечения кристалла тигель может быть разъемным.

Технологическая практика показывает, что в цилиндрическом тигле целесообразно выращивать только относительно небольшие флюоритовые кристаллы-були диаметром до 100 мм. Более крупные були получаются менее однородными, кроме того, они требуют очень длительного отжига и растрескиваются или сразу после извлечения из печи, или при распиловке. При изготовлении оптических деталей из буль получается много отходов. Поэтому вместо традиционного тигля с одной внутренней полостью в настоящее время при крупнообъемном производстве кристаллов применяют многокамерные тигли. В каждой камере вырастает отдельный кристалл, принимающий форму камеры, а во всем тигле — десятки, сотни и даже тысячи кристаллов заданной формы и размеров.

Кристаллизационный процесс. Перед выращиванием каждой новой партии кристаллов установку и тигли тщательно очищают от налетов, продувают сжатым воздухом. Шихту из флюоритовой крупки загружают в тигель. Тигель и все подколпачное устройство ростовой установки с помощью гидропривода закрывают колпаком.

Вся система вакуумируется до разрежения в 1•10^{– 4} мм рт. ст., после чего включают нагрев тигля и начинают программное повышение температуры до 1500° С. Обычно оно проходит со скоростью 5° С/мин и продолжается в течение 4—5 ч. Установка выдерживается при температуре 1500—1540° С 4—6 ч, иногда до 20 ч в зависимости от объема тигля. В течение этого времени шихта успевает полностью расплавиться, а расплав — гомогенизироваться. После этого тигель с расплавом автоматически опускается со скоростью 2—20 мм/ч и выводится из зоны нагрева в кристаллизационную зону, в результате чего происходит рост монокристаллов. Продолжительность роста 10—15 ч при неизменной температуре в зоне кристаллизации 1450° С. Затем температура печи по программе снижается до комнатной, вакуумные насосы отключаются.

Общая длительность цикла 30—50 ч, скорость кристаллизации 2—20 мм/ч. В установке, схема которой приведена выше, за один цикл можно вырастить три цилиндрических кристалла диаметром 130 мм и толщиной 40 мм, 100 кристаллов диаметром 40 мм и толщиной 10 мм или 1000 кристаллов диаметром 7 мм, толщиной 5 мм. Но эта установка не из самых крупнообъемных.

Отжиг кристаллов. Для снятия внутренних напряжений, которые неизбежно возникают в кристаллах в процессе их роста из-за резкого охлаждения в градиентном тепловом поле и проявляются в виде участков с аномальным двойным лучепреломлением, производится отжиг кристаллов.

Существуют различные схемы отжига, из них наиболее распространены две.

По первой двухстадийной схеме [Степанов, Феофилов, 1957] «грубый» отжиг для предварительного снятия термических напряжений осуществляется в ростовой установке сразу же после окончания процесса кристаллизации, а окончательный «тонкий» отжиг — в специальной безградиентной печи. Температура «тонкого» отжига 900—1000, иногда 1100—1150° С, скорость студки при высоких температурах 2—4° С/ч, при низких температурах — несколько выше. Для предотвращения помутнения кристаллов вследствие гидролиза кристаллы помещают в платиновый тигель и засыпают флюоритовым порошком, слабо смоченным плавиковой кислотой. Тигель плотно закрывают платиновой крышкой.

По второй схеме, более оптимальной [Черневская и др., 1971], отжиг осуществляется одностадийно, причем в той же ростовой установке. Для отжига температуру верхней зоны печи понижают с 1420—1490 до 800— 1150° С в зависимости от размера кристалла. Тигель с кристаллами снова поднимают в верхнюю зону в исходное положение и выдерживают при указанной температуре 5—10 ч. После этого температуру в печи снижают со скоростью 3—25° С/ч до 250—150° С, затем и питание печи, и диффузионные насосы отключаются.

Кристаллы извлекают из печи после ее инерционного остывания до комнатной температуры.

Таким образом, во второй схеме кристаллизация и отжиг объединены в один цикл, что значительно сократила длительность технологического процесса. Уменьшение времени пребывания кристаллов при высокой температуре, обеспечивающееся этой схемой, имеет принципиальное значение, так как это позволяет уменьшить опасность химического взаимодействия уже выращенных кристаллов с компонентами остаточной газовой атмосферы в ростовой камере с неизбежным при этом ухудшением качества кристаллов (из-за окисления основы и восстановления редких земель, присутствующих в кристаллах в качестве примесей, и т. д.). Это способствует, в свою очередь, уменьшению светорассеяния в кристаллах, повышению их прозрачности, снижению уровня дополнительного поглощения и интенсивности люминесценции.

Обработка кристаллов и изготовление оптических деталей

Искусственные кристаллы флюорита идут на изготовление оптических деталей для приборов и технических устройств. Детали эти самые разнообразные: диски, пластины, линзы, призмы различной конфигурации и размеров. Номенклатура современного оптического предприятия составляет более 250 наименований флюоритовых деталей.

Изготовление деталей из кристаллов флюорита — сложный и трудоемкий процесс, включающий их резку, шлифовку и полировку. В целом эти операции разработаны довольно хорошо [Бонд, 1980], однако не все разработки, которые высокоэффективны для стекол и прочных кристаллов, можно перенести на флюорит. Флюорит характеризуется невысокой твердостью, резкой механической анизотропией, низкой термостойкостью, склонен растрескиваться и раскалываться по плоскостям совершенной спайности. Для его обработки нужны специальные приемы.

На различных предприятиях в зависимости от их технической оснащенности, от типов обрабатываемых кристаллов и номенклатуры изготовляемых деталей, а также от объема производства приняты различные технологические схемы изготовления деталей — от полностью ручной обработки кристаллов до полуавтоматической и автоматической [Научно-технический..., 1974].

Если кристаллы выращиваются в виде крупных кристаллических блоков-буль, то процесс обработки начинается о их распиловки на плоскопараллельные пластины, стержни, бруски, из которых изготовляются заготовки деталей. При этом приходится прибегать к склеиванию, круглению, нанесению сферы. Такая обработка сопровождается большими отходами, достигающими даже при самых «мягких» режимах 70%. Если кристаллы выращиваются в виде заготовок заданной формы и размеров, близких к форме и размерам изготовляемых деталей, то многие предварительные операции, в частности распиловка и кругление, исключаются, отходы сводятся к минимуму.

При ручной технологии наклеечные операции производятся в термостатах при очень медленном подъеме и снижении температуры. Обработка деталей производится поштучно. Вначале они обрабатываются по диаметру на металлической фольге свободным абразивом. Затем на станках осуществляется шлифовка плоскостей также свободным абразивом (карборунд и окись хрома) при малой скорости вращения шпинделя и низком удельном давлении. После этого склеенные детали разблокировываются в автоклавах и чистятся органическими растворителями.

Полуавтоматическая обработка заготовок проводится на станках, снабженных специальными фрезами из алюминиевого сплава, торцы которого соединены абразивными брусками из природного алмаза на металлической связке. Применение такого инструмента позволяет производить кругление флюоритовых заготовок по диаметру и плоскостям, не меняя установки в полуавтоматическом режиме. Подбирается оптимальный для обработки кристаллов температурный режим и состав охлаждающей смеси. В этих режимах удается обрабатывать даже кристаллы с внутренними напряжениями, характеризующимися двойным лучепреломлением до 120 нм/см, без нарушения их целостности. Дальнейшая обработка (тонкая шлифовка и полировка) кристаллов флюорита производится на полировально-доводочных станках. Обработка плоских поверхностей также проводится автоматически.