Physical principles of industrial growing technology of lead tungstate (PWO) for high-energy physics applications

Abstract

A new model is proposed describing defects responsible for optical properties and radiation hardness of PWO single crystals. The model clarifies origins of optical properties important for application of PWO as a scintillator in high-energy physics experiments and provides a base for purposeful optimization of growth and annealing processes to achieve reliable reproducibility of specified parameters in production of PWO scintillators on industrial scale. The model is based on assumption that the optical properties of nominally pure PWO are determined mainly by inherent inclusions of tungsten oxides with variable tungsten valence WO₃-ₓ that are formed during the crystal growth and may be modified by thermal treatment or irradiation. The new concept enabled development of industrial technology at "North Crystals" company, where scintillation blocks with parameters specified for CERN ALICE and CMS projects are being produced now with reproducibility of about 100 %.

Предложена новая модель для описания дефектов, ответственных за оптические свойства и радиационную стойкость монокристаллов PWO. Модель поясняет происхождение оптических характеристик, имеющих важное значение для применения PWO в качестве сцинтиллятора в экспериментах по физике высоких энергий, и обеспечивает основу для направленной оптимизации процессов роста и отжига с целью достижения надежной воспроизводимости заданных параметров при промышленном производстве сцинтилляторов на основе PWO. Модель основывается на допущении, что оптические свойства номинально чистого PWO определяются, в основном, неизбежными включениями оксидов вольфрама с различной валентностью вольфрама WO₃-ₓ, образующимися в процессе роста кристалла, и могут быть модифицированы путем термообработки или облучения. Новая концепция обеспечила возможность разработки промышленной технологии в фирме "Северные Кристаллы", где сцинтилляционные блоки с параметрами, соответствующими требованиям проектов CERN "ALICE" и "CMS", в настоящее время изготовляются с воспроизводимостью, близкой к 100 %.

3апропоновано нову модель для опису дефектiв, вiдповiдальних за оптичнi властивостi та радiацiйну стiйкiсть монокристалiв PWO. Модель пояснює походження оптичних характеристик, що мають важливе значення для застосування PWO як сцинтилятора в експериментах з фiзики високих енергiй та забезпечує основу для цiлеспрямованої оптимiзацiї процесiв росту та вiдпалу з метою досягнення надiйної вiдтворюваностi заданих параметрiв за умов промислового виробництва сцинтиляторiв на основi PWO. Модель базується на припущеннi, що оптичнi властивостi номiнально чистого PWO визначаються, головним чином, неминучими включеннями оксидiв вольфраму з рiзною валентнiстю вольфраму WO₃-ₓ, якi утворюються у процесi росту кристала, та можуть бути модифiкованi шляхом термообробки або опромiнення. Нова концепцiя забезпечила можливiсть розробки промислової технологiї у фiрмi "Северные Кристаллы", де сцинтиляцiйнi блоки з параметрами, якi вiдповiдають вимогам проектiв CERN "ALICE" и "CMS", на даний час виготовляються з вiдтворюванiстю, близькою до 100 %.