Щербань Алексей Петрович ННЦ ХФТИ, Институт физики твердого тела, материалов и технологий (ИФТТМТ) ул. Академическая 1, г. Харьков, Сверхчистые материалы для экспериментальной космомикрофизики

различные методы рафинирования металлов В ННЦ ХФТИ более 50-ти лет разрабатываются и реализуются различные методы рафинирования металлов. Среди них являются следующие: -методы, основанные на процессах дистилляции, включающих конденсацию пара на колонку с градиентом температуры; -прогрев с фильтрацией и дистилляция с применением геттерных фильтров; -переплав и зонная плавка в вакууме, включая электронно-лучевой нагрев; -зонная плавка с электропереносом; -кристаллизация из расплава методом Чохральского; -различные комбинации выше указанных методов. 2

Цель доклада Цель доклада – представление информации о новых собственных разработках по усовершенствованию технологических процессов глубокого рафинирования таких металлов как (Cd, Zn, Te, In, Ga, Pb, и др.) и их изотопов. Большинство этих металлов являются исходными компонентами для производства низкофоновых сцинтилляционных монокристаллов для детекторов и являются элементами-кандидатами на двойной ß- распад. требования по чистоте Основные требования по чистоте к исходным металлам для сцинтилляционных материалов следующие: < 0.2 ррm Ni, Сu < 0.2 ррm; < 1 ррm Fe, Mg, Мn, Сr, V, Со < 1 ррm; < 0.1 ррm Th, U, Ra, К, Rb, In, La, Lu, Sm < 0.1 ррm 3

Анализ литературных данных и собственный опыт показал, что Анализ литературных данных и собственный опыт показал, что: - для легкоплавких металлов наиболее распространенными методами рафинирования являются дистилляционный и кристаллизационный методы и их сочетание. - в процессах дистилляционной очистки более эффективным является поэтапное разделение легколетучих и труднолетучих примесей. В качестве примера такого подхода может служить разработанный нами комплексный процесс глубокого рафинирования Cd, Zn, Te и их изотопов, который заключается в сочетании прогрева с фильтрацией и последующей дистилляции с геттерным фильтром. 4

Схема способа рафинирования Cd, Zn, Te в вакууме с применением геттерного фильтра тигель исходный металл сетчатая пластина геттер конденсатор чистый металл 5

Характеристики устройства глубокой очистки Cd, Zn и Те Краткое описание: Краткое описание: > 99,9999 % Устройство позволяет получать из исходных Cd, Zn и Те технической чистоты (99,9...99,99 %) конечные продукты чистотой > 99,9999 % с высоким выходом годного продукта и высокой производительностью ·10 -5 маc. %. Устройство для глубокой очистки Cd, Zn и Те основано на рафинировании материала дистилляцией в вакууме. Устройство позволяет проводить поэтапную очистку от легколетучих примесей с фильтрацией и очистку от труднолетучих примесей дистилляцией с применением геттерного фильтра, что обеспечивает более глубокую очистку кадмия, цинка и теллура от металлических примесей, в том числе и от примесей внедрения (N, О, С) до уровня 2...5·10 -5 маc. %. Технические характеристики устройства:Технические характеристики устройства: - 2,5 кг масса исходной загрузки материала - 2,5 кг; -90% от исходной загрузки процент выхода продукта -90% от исходной загрузки; г/час производительность устройства г/час; 1,0 кВт мощность нагревателя - 1,0 кВт; материал для изготовления тигля и конденсатора - графит марки МПГ-7; нагревателя и экранов - графит марки МГ-1 ОСЧ 7-3, ТУ ; °С рабочая температура °С; 1,33·10 -3 Па вакуум в холодном и горячем состоянии -1,33·10 -3 Па; Главные преимущества: Главные преимущества: с 99,9...99,99 % до > 99,9999% высокая эффективность очистки (с 99,9...99,99 % до > 99,9999%); повышенный выход годного продукта (90 % от исходной загрузки); пониженное содержание примесей внедрения (N, О, С). Cd Zn Te 6

Характеристики устройства глубокой очистки изотопов Cd, Zn и Те Краткое описание: < 0.2 ррm Устройство позволяет получать радиочистые изотопы Cd, Zn и Те с содержанием примесей: Ni, Сu < 0.2 ррm; < 1 ррm Fe, Mg, Мn, Сr, V, Со < 1 ррm; < 0.1 ррm Th, U, Ra, К, Rb, In, La, Lu, Sm < 0.1 ррm. с минимальными невозвратными потерями из-за высокой стоимости этих материалов. Устройство для глубокой очистки изотопов Cd, Zn и Те основано на рафинировании материала дистилляцией в вакууме. Устройство позволяет проводить поэтапную очистку изотопов путем фильтрации и дистилляции с возможным применением геттерного фильтра, что обеспечивает глубокую очистку изотопов кадмия, цинка и теллура от регламентируемых примесей. Технические характеристики устройства:Технические характеристики устройства: г масса исходной загрузки материала г; г/час производительность устройства г/час; - > 96% от исходной повышенный выход годного продукта - > 96% от исходной загрузки; загрузки; °С рабочая температура °С; - 1, Па вакуум в холодном и горячем состоянии - 1, Па; 106 Cd 116 Cd Главные преимущества: Главные преимущества: высокая эффективность очистки; повышенный выход годного продукта (> 96 % от исходной загрузки); минимальные невозвратные потери материала (< 1 %). 7

Характеристики устройства глубокой очистки Pb, Ga и In Краткое описание: Устройство позволяет из исходных Pb, Ga и In технической чистоты (99,9...99,99 %) получать конечные продукты чистотой > 99,9999 % > 99,9999 % с высоким выходом годного продукта и высокой производительностью. Устройство для глубокой очистки Pb, Ga и In основано на рафинировании материала дистилляцией в вакууме. Устройство позволяет проводить одновременную очистку от труднолетучих примесей путем испарения из тигля основного металла и очистку от легколетучих примесей путем выдержки конденсата при высокой температуре в процессе очистки. Это обеспечивает более глубокую очистку свинца, галлия и индия и от металлических примесей и повышает производительность процесса рафинирования. Технические характеристики устройства:Технические характеристики устройства: - 2,3 кг масса исходной загрузки материала - 2,3 кг; г/час производительность устройства г/час; - 90% от исходной загрузки процент выхода продукта - 90% от исходной загрузки; °С рабочая температура °С; контроль температуры тигля и конденсатора - термопары ВР-5/20; - 1, Па вакуум в холодном и горячем состоянии - 1, Па; Главные преимущества: Главные преимущества: с 99,9...99,99 % до > 99,9999% высокая эффективность очистки (с 99,9...99,99 % до > 99,9999%); повышенный выход годного продукта (90 % от исходной загрузки); высокая производительность (300…400 г/час.). Ga In Pb 8

Для рафинирования тугоплавких элементов-кандидатов на двойной ß-распад, таких как Zr, Mo, Ru, Os и др., применяются такие методы, как электронно-лучевой переплав (ЭЛП) и электронно-лучевая зонная плавка (ЗП). Схема зонной плавки (ЗП) Зажим Образец Расплавленная зона Для проведения процессов (ЭЛП) и (ЗП) у нас имеется соответствующее оборудование и опытные специалисты. Схема установки электронно-лучевой плавки (ЭЛП) 9

Достигнутый уровень чистоты отдельных металлов Металлы Уровень чистоты, мас. % / R ост =R 293 /R 4,2 Метод получения Легкоплавкие металлы Cd> 99,9999 Комплексная дистилляция Zn> 99,99998 Дистилляция + кристаллизация Te> 99,99995 Дистилляция + кристаллизация Pb> 99,9999 Комплексная дистилляция In> 99,9999 Комплексная дистилляция Ga99,99999 / Дистилляция + ЗП Тугоплавкие металлы Ru99,999 / 3500ЭЛП + ЗП с ЭП Os99,999 / 2500ЭЛП + ЗП с ЭП Re99,9999 / 60000ЭЛП + ЗП + ЭП Mo99,9999 / 30000ЭЛП + ЗП Zr99,999 / 450ЭЛП + ЗП 10

Как показали предварительные исследования, из этого материала в ИСМА выращены монокристаллы ZnSe удовлетворительного качества выращены монокристаллы ZnSe удовлетворительного качества. Сейчас рассматривается вопрос о продолжении работ по очистке в ННЦ ХФТИ отходов производства сцинтилляционных монокристаллов ZnSe. Конденсат ZnSe Конденсат ZnSe (~ 1 кг), полученный из отходов производства сцинтилляционных монокристаллов ZnSe 1

метод лазерной масс-спектрометрии с регистрацией на фотопленку (Аппарат ЭМАЛ-2) Для анализа примесного состава образцов высокочистых металлов мы используем метод лазерной масс-спектрометрии с регистрацией на фотопленку (Аппарат ЭМАЛ-2). В настоящее время данная аппаратура не удовлетворяет требованиям по чувствительности анализа отдельных примесей. Для более точного и чувствительного определения содержания примесей необходимо использование других методов анализа, таких как: -масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS); -атомно абсорбционная спектрометрия (ASS); -вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС) и др. 1212

ВЫВОДЫ 1.Разработанные в ННЦ ХФТИ методы глубокого рафинирования могут быть применены для получения отдельных элементов в качестве исходных для сцинтилляционных материалов, используемых для поиска темной материи и двойного ß-распада. 2. Для повышения чувствительности определения примесного состава образцов необходимо приобретение современного аналитического оборудования. 3. Для продолжения научных исследований и поддержки работ по разработке эффективных процессов глубокого рафинирования металлов необходимо целевое финансирование. 1313

Workshop_ 2009 г. Киев