一種高純碘化鉛的提純裝置及區域熔煉方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高電阻半導體材料提純技術領域，具體是指一種高純碘化鉛的提純裝置及區域熔煉方法。
【背景技術】
[0002]核輻射探測器在軍事、核輻射防護、空間天文學、環境監測和野外勘探等高技術領域具有重要的應用前景。碘化鉛(PbI2)的平均原子序數較大，禁帶寬度較寬，作為一種新型的室溫核輻射探測器材料具有廣闊的應用前景。碘化鉛原料中的雜質含量越低，少數載流子在傳輸過程中被缺陷捕獲的概率就越低，碘化鉛探測器對核輻射探測效率就會得到有效提高，碘化鉛原料的純度越高，則后續碘化鉛晶體質量及晶體的輻射響應性能越好。因此，將高頻感應加熱器中使用的純度為99.9%的碘化鉛原料提純至純度大于99.999%的高純碘化鉛，是進一步提高碘化鉛探測器性能的關鍵因素之一。
[0003]當前制備高純材料技術領域多采用區域熔煉法。區域熔煉法，又稱區域提純法，適用于金屬、半導體等材料的提純。區域熔煉法是指將雜質分布均勻的原料制成棒料后，利用原料熔化再凝固會使原料中各部分雜質濃度分布出現分凝現象的特性，使原料中的雜質富集至棒料兩端后切除，達到原料提純的方法。krff，即固液分配系數，表示雜質在固相中的溶解度與其在液相中的溶解度比值。在區域熔煉法的凝固過程中，雜質的固液分配系數krff對雜質分布具有重要影響。由于雜質的固液分配系數krff不同，若熔區多次從料棒的左端緩慢移動向右端，則固液分配系數krff〈l的雜質向料棒的右端富集，而krff>l的雜質向料棒的左端富集；若熔區多次從料棒的右端緩慢移動向左端，則固液分配系數krff〈l的雜質向料棒的左端富集，而1^Η>1的雜質向料棒的右端富集。多次區域恪煉后，將雜質富集的兩端去除后，達到原料提純的目的。雖然一次區域熔煉往往不能滿足所要求的純度，但是通過多次重復操作或在一次操作中沿細棒的長度依次形成幾個熔區，通常可以滿足較高的純度要求。
[0004]現有的區域熔煉爐一般采用高頻感應加熱器作為熱源，并采用水冷系統進行熔區控制。
[0005]現有區域熔煉爐存在以下不足:
(一)水冷系統較為復雜且不易控制:一方面，高頻感應加熱器中加熱用的銅線圈是空心的，在高頻感應加熱器工作過程中，始終需要往空心的銅線圈中通入冷卻水以防止銅線圈過熱熔化；另一方面，區域熔煉的反應腔體外還需要設置用于輔助散熱和熔區控制的冷卻水管套。
[0006](二)無法滿足高純碘化鉛的提純要求:感應加熱僅能熔化電阻率較低的金屬，如電阻率為12 Ω.Cm的鍺、電阻率為15 Ω.cm的硅等材料，對于電阻率高達1wQ.cm的碘化鉛，高頻感應加熱產生的渦流I較小，與渦輪I的平方呈正比的感應加熱功率P較小(P -12)，碘化鉛熔化功率極低，因此碘化鉛極難熔化。
[0007]因此，亟需提供一種用于高純碘化鉛提純的裝置及其區域熔煉的方法。
【發明內容】
[0008]本發明的一個發明目的在于提供一種高純碘化鉛的提純裝置，采用兩側均設置溫差電制冷圈的電爐圈和石英管進行區域熔煉，電爐圈為熱源，溫差電制冷圈控制熔區寬度，真空封接的石英管為反應腔體，整體結構簡單、便于控制。
[0009]本發明的另一個發明目的在于提供一種高純碘化鉛的區域熔煉方法，針對碘化鉛的物理特性，能有效減少碘化鉛原料中雜質含量，可對純度為99.9%的碘化鉛原料進一步提純而獲得純度大于99.999%的尚純鵬化鉛，進而提尚后續鵬化鉛晶體質量和晶體的福射響應性能。
[0010]本發明通過下述技術方案實現:一種高純碘化鉛的提純裝置，包括驅動裝置、絲杠傳動裝置、石英管、電爐圈、溫差電制冷圈和管卡；所述絲杠傳動裝置包括主架、傳動軸和滑臺，傳動軸與滑臺嚙合且均安裝在主架上，電爐圈的兩側均設置溫差電制冷圈并與滑臺固定連接；所述電爐圈外套于石英管且石英管的兩端分別固定在與主架連接的管卡上，驅動裝置通過傳動軸、滑臺依次傳動使電爐圈沿石英管的軸線方向做直線往復運動。
[0011]一種高純碘化鉛的區域熔煉方法，包括以下步驟:
步驟A:將鉛鹽溶液與碘化物溶液作用制得的、純度不小于99.9%的碘化鉛原料，在480-520MPa的壓力下冷壓成棒狀，并水平裝入經洗液和去離子水多次清洗的石英管中；步驟B:利用真空系統對石英管的內腔進行抽真空處理，至真空度不高于1x10 4Pa時，用氫氧焰對石英管兩端進行真空封接；
步驟C:分別通過調節電爐圈兩側溫差電制冷圈的間距調整電爐圈熔區寬度至熔區寬度閥值，通過調節通入電爐圈的電流使電爐圈達到電爐圈工作溫度，通過調節通入溫差電制冷圈的電流使溫差電制冷圈達到溫差電制冷圈工作溫度；
步驟D:將封接后的石英管水平插入電爐圈后，調整與主架連接的管卡并通過管卡將石英管的兩端固定；
步驟E:由驅動裝置控制傳動軸的轉向和轉速以驅動電爐圈沿石英管軸向的直線往復運動而進行碘化鉛原料的提純，電爐圈先以第一工作速度勻速的正向運動，再以第二工作速度勻速的反向運動，往復多次；
步驟F:破碎石英管，取得碘化鉛錠料并分析其雜質分布，根據雜質分布的分析結果，切除位于兩端的雜質超標的碘化鉛錠料而獲得中段的檢測合格的高純碘化鉛，將高純碘化鉛進行真空、密封、避光包裝。
[0012]本發明中封裝碘化鉛原料的石英管插入電爐圈中并通過管卡固定在絲杠傳動裝置的主架上，由驅動裝置通過傳動軸、滑臺依次傳動，使與滑臺固定連接的電爐圈沿石英管的軸向做直線往復運動，利用區域熔煉法對碘化鉛原料進行進一步提純而獲得高純碘化鉛。本發明中提及的碘化鉛原料的純度為99.9%，高純碘化鉛的純度大于99.999%。使用本發明中的提純裝置和區域熔煉法所獲得的高純碘化鉛，特別適合于室溫核輻射探測器用碘化鉛單晶半導體。
[0013]本發明中的提純裝置，采用兩側均設置溫差電制冷圈的電爐圈和石英管進行區域熔煉，電爐圈為熱源，溫差電制冷圈控制熔區寬度，真空封接的石英管為反應腔體，整體結構簡單、便于控制。本發明中的區域熔煉方法，針對碘化鉛的物理特性，能有效減少碘化鉛原料中雜質含量，可對純度為99.9%的碘化鉛原料進一步提純而獲得純度大于99.999%的尚純鵬化鉛，進而提尚后續鵬化鉛晶體質量和晶體的福射響應性能O
[0014]所述電爐圈覆蓋的區域為熔區，電爐圈工作溫度即熔區溫度，熔區溫度略高于碘化鉛的熔點；溫差電制冷圈覆蓋的區域為凝固區，溫差電制冷圈工作溫度即凝固區溫度，凝固區溫度略低于碘化鉛的熔點。熔區內的碘化鉛原料達到熔區溫度后熔融成液相，而在凝固區內達到凝固區溫度后被稍加冷卻就會析出固相。由于雜質的固液分配系數krff不同，若熔區多次從料棒的左端緩慢移動向右端，則固液分配系數krff〈l的雜質向料棒的右端富集，而krff>l的雜質向料棒的左端富集；若熔區多次從料棒的右端緩慢移動向左端，則固液分配系數krff〈l的雜質向料棒的左端富集，而krff>l的雜質向料棒的右端富集。簡而言之，隨著電爐圈的緩慢移動，熔區緩慢前移，雜質也隨著向棒料的兩端移動，往復多次后，雜質最終富集于棒料的兩端，將棒料的端部予以切除，完成提純。
[0015]將碘化鉛原料粉體經冷壓成型為棒料后裝入高純石英管抽真空到10 4 Pa，并使用氫氧焰實現石英管真空封接；封接后的石英管安裝在提純裝置上，按本發明中區域熔煉法所述的工作參數對碘化鉛原