научная статья по теме СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ МЕТАЛЛОВ В ТЕТРАФТОРИДЕ ГЕРМАНИЯ И ПОЛУЧАЕМОМ ИЗ НЕГО ДИОКСИДЕ ГЕРМАНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ МЕТАЛЛОВ В ТЕТРАФТОРИДЕ ГЕРМАНИЯ И ПОЛУЧАЕМОМ ИЗ НЕГО ДИОКСИДЕ ГЕРМАНИЯ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 6, с. 694-698

УДК 543:546.289'16:546.289'21

СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ МЕТАЛЛОВ В ТЕТРАФТОРИДЕ ГЕРМАНИЯ И ПОЛУЧАЕМОМ ИЗ НЕГО ДИОКСИДЕ ГЕРМАНИЯ

© 2008 г. А. Д. Буланов*, А. Ю. Дашков*, А. М. Потапов*, В. Г. Пименов*, М. М. Липатова*, М. Ф. Чурбанов*, В. Н. Корноухов**, Л. Б. Безруков**

*Институт химии высокочистых веществ Российской академии наук, Нижний Новгород **Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва e-mail:bulanov@ihps.nnov.ru Поступила в редакцию 26.11.2007 г.-

Химико-атомно-эмиссионным методом определены состав и содержание примесей металлов (в нелетучей форме) в тетрафториде германия природного изотопного состава и изотопно-обедненном 76Ge. Проведена конверсия образцов тетрафторида германия в диоксид. Методами лазерной масс-спектро-метрии, атомно-эмиссионной спектрометрии, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и искровой масс-спектрометрии установлен примесный состав полученных образцов диоксида германия.

ВВЕДЕНИЕ

Для экспериментов по детектированию безнейтринного двойного Р-распада [1, 2] требуются высокочистые материалы, обогащенные некоторыми четно-четными изотопами, подверженными этому процессу. Одним из лучших кандидатов является изотоп 76Ge, из которого можно изготовить полупроводниковый детектор с высокой разрешающей способностью, служащий для регистрации электронов, образующихся при двойном Р-распаде [3, 4]. Для изготовления такого детектора требуется монокристаллический германий с содержанием "мелких" электроактивных примесей (на уровне 1010 ат/см3 - Li, Л1, B, Ga, Sb) и "глубоких" примесей (не более 109 ат/см3 - Fe, Mn, Cd, Ag, Te) [5]. Содержание примесей радиоактивных элементов (^ Ra) должно быть ниже 10-10 ат. %. [1-4].

Схема получения высокочистого изотопно-обогащенного германия включает фторирование Ge, центробежное разделение изотопов германия в виде тетрафторида, его гидролиз, восстановление полученного диоксида до элементарного германия водородом, очистку германия зонной плавкой и выращивание монокристаллов по методу Чохральского. Чистота конечного материала зависит от содержания примесей в рабочем веществе на каждой стадии. Знание этой величины и факторов, ее определяющих, необходимо для оптимизации процесса в целом и отдельных его стадий.

Цель данной работы - установление состава и содержания примесей металлов в тетрафториде германия на стадии его получения и изотопного обогащения. Представлялось интересным установить соотношение между содержанием примесей в тетрафториде германия и получаемом из него диоксиде германия.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Химико-атомно-эмиссионный анализ тетрафторида германия. Наиболее вероятной агрегатной формой нахождения примесей металлов в GeF4 являются взвешенные частицы из фторидов, оксидов и оксифторидов. В связи с этим использовали методику атомно-эмиссионного анализа с концентрированием нелетучих примесей на графитовом коллекторе отгонкой матрицы с малой скоростью (<1 х 10-4 г/(см2 с)), аналогичную разработанной для тетрафторида кремния в [6]. Отбор пробы в аппарат для концентрирования проводили из газовой фазы, отгонку основы - сублимацией. Массу навески варьировали в пределах 5-20 г.

Концентраты примесей анализировали дуговым атомно-эмиссионным методом (дуга постоянного тока 13 А, экспозиция 20 с, усиливающая добавка -4% ШО, спектрограф СТЭ-1 с фотоэлектронной кассетой1). Значение абсолютного предела обнаружения примесей атомно-эмиссионного метода анализа - 10-8-10-10 г. Относительный предел обнаружения примесей для аналитической навески 20 г составил 10-7-10-9 мас. %. Относительное стандартное отклонение для содержаний примесей на уровне 10^-Ю-8 мас. % - не более 0.6.

Перевод тетрафторида германия в диоксид германия. Образцы оксида германия массой 20 г получали из природного и обедненного изотопом 76Ge тетрафторида германия. Гидролиз тетрафторида германия протекает с образованием гексафторгер-маниевой кислоты и желатинообразной GeO2 [7]:

3GeF4 + 2H2O = GeO2 + 2H2GeF6. (1)

Гексафторгерманиевая кислота устойчива в кислых растворах. Для гидролиза гексафторгерманат-

1 ООО "МОРС", Троицк.

раствор аммиака

(2)

иона использовали 25%-ный (ГОСТ 24147-80 ОСЧ 25-5):

Н2веР6 + 6КН4ОН =

= ве( ОН)Д+6КН4Р + 2Н2О.

Для удаления остатков фторида аммония проводили промывку, сушку и прокалку осажденного веО2. Суммарная схема гидролиза тетрафторида германия описывается уравнением

3веР4 + 2Н2О + 12КН4ОН —

424 (3)

— 3веО2 + 12КН4Р + 8Н2О.

Для получения чистого веО2 гидролизом тетрафторида германия были проведены предварительные эксперименты по выяснению возможных источников примесей в конечном продукте. Оказалось, что для снижения загрязнений из реактивов целесообразно проводить гидролиз гексафтор-германат-иона путем напуска аммиака через газовую фазу. Расход воды необходимо снизить, оптимизировав количество промывок от фторида аммония. После промывки осадок переносили в чашку из стеклоуглерода объемом 130 мл, в которой осуществляли его упаривание и прокаливание.

Были получены образцы веО2 природного изотопного состава массой 19.42 г (20.22 г теоретически) и веО2 из изотопно обедненного 76ве тетрафторида германия массой 23 г (21.1 г теоретически). Избыток, вероятно, объясняется неполной отмывкой от фторида и германата аммония.

В процессе конверсии использовали 420 мл воды на 20 г полученного порошка. Если диоксид германия выступает как сорбент, то степень концентрирования примесей из воды составляет -20.

Анализ диоксида германия. Примесный состав полученных образцов веО2 был определен методами лазерной масс-спектрометрии (ЛМС) и химико-атомно-эмиссионной спектрометрии (ХАЭС)2, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС)3 и искровой масс-спектрометрии (ИМС)4.

Для анализа веО2 методом ЛМС из полученного порошка при давлении 1500 МПа с использованием танталовой подложки была спрессована таблетка размерами 15 х 8 х 2 мм.

Для анализа методом ХАЭС проводили предварительное концентрирование примесей отгонкой после превращения матрицы в летучие соединения в автоклаве. Использовали два варианта: вскрытие пробы непосредственно в графитовых электродах парами азотной и хлористоводородной кислот (веаД); вскрытие пробы парами дифторида ксенона (веР4Т) с концентрированием примесей на фторопластовой подложке, смыв концентрата примесей и анализ полученного раствора.

Таблица 1. Содержание примесей ] рида германия

образцах тетрафто-

GeF4, ppm*

Примесь Природный Изотопно-обеднен-

изотопный ный

Sb <0.005 <0.005

Fe 0.03 0.001

Mg 0.0001 <0.00006

Mn 0.001 0.0001

Pb <0.0005 <0.0005

Cr 0.005 <0.0004

Sn <0.0002 <0.0002

Co <0.0006 <0.0006

Ni 0.01 <0.0006

Al 0.0008 0.0005

Ca <0.002 <0.002

Cu 0.001 0.0006

Cd <0.001 <0.001

Ag 0.0004 0.00008

Ti <0.0005 <0.0005

V <0.0006 <0.0006

Bi <0.0001 <0.0001

Zn < 0.004 < 0.004

' ИХВВ РАН, Нижний Новгород.

1 ИПТМ РАН, Черноголовка. ^ ГИРЕДМЕТ, Москва.

*1 ppm = 1 мкг/г = 0.0001 мас. %.

При анализе методом ИСП-МС осуществляли автоклавное вскрытие образцов GeO2 в кварцевых пробирках, помещенных в тефлоновую реакционную емкость автоклава. Проводили кислотное (HNO3 + HCl) разложение образца с отгонкой основы в виде хлорида германия. Полученные растворы перед анализом разбавляли деионизованной водой до содержания матричного элемента в анализируемом растворе 0.1% [8].

Для анализа методом ИМС порошок GeO2 прессовали в стальной пресс-форме. С полученного штабика (40 х 3 х 3 мм) поверхностный слой счищали протравленным скребком из тантала. Искровой разряд возбуждали между противоэлектродом из тантала и поверхностью образца [8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

С использованием ХАЭС определено содержание примесей металлов в тетрафториде германия природного изотопного состава и изотопно-обедненном германием-76 тетрафториде германия. Содержание примесей в этих образцах приведено в табл. 1. Результаты получены из трех параллельных определений для каждого образца.

Таблица 2. Содержание примесей в GeO2 природного изотопного состава.

Примесь GeO2, ppm* Примесь GeO2, ppm*

ЛМС ИСП-МС ЛМС ИСП-МС

Li - <0.01 Sn <4 <0.2

Be - <0.01 Sb <1 <0.2

B 0.07 <2 Te <4 <0.5

Na 0.1 <6 I <2 -

Mg - <1 Cs <2 <0.01

Al 21 <3 Ba <2 <0.4

P <2 <8 La <2 <0.02

K 0.4 <7 Ce <2 <0.02

Ca 0.9 <8 Pr <2 <0.01

Sc <0.2 <0.2 Nd <7 <0.03

Ti <0.3 <1 Sm <8 <0.01

V <0.3 <0.2 Eu <4 <0.004

Cr <0.3 <2 Gd <10 <0.01

Mn <0.3 <0.2 Tb <2 <0.003

Fe 0.2 <3 Dy <9 <0.04

Co <0.4 <0.04 Ho <3 <0.005

Ni <0.5 <0.5 Er <4 <0.001

Cu 0.5 <0.3 Tm <2 <0.001

Zn 0.7 <0.8 Yb <10 <0.001

Ga <0.6 <0.5 Lu <3 <0.001

As <10 - Hf <9 <0.01

Se <1 <1 Ta - 1.75

Br <1 - W <10 0.35

Rb <1 <0.02 Re <5 <0.003

Sr <0.9 <0.2 Os <8 -

Y <0.7 - Ir <5 <0.001

Zr <1 - Pt <11 <0.005

Nb <0.8 - Au <4 <0.05

Mo <0.3 <0.06 Hg <13 <0.1

Ru <4 - Tl <6 <0.0008

Rh <0.9 <0.02 Pb <8.0 <0.08

Pd <3 <0.3 Bi <4 <0.003

Ag <2 - Th <10 <0.007

Cd <4 <0.4 U <10 <0.001

In <1 <0.004

*1 ppm = 1 мкг/г = 0.0001 мас. %.

Как видно из табл. 1, содержание примесей металлов в тетрафториде германия природного изотопного состава находится на уровне 10-6-10-8 мас. %. Содержание примесей Fe, Mg, Mn, Cr, Ni и Cu в изотопно-обедненном 76Ge тетрафториде германия несколько ниже.

Результаты анализа полученных образцов ОеО2 методами ЛМС, ХАЭС, ИСП-МС и ИМС представлены в табл. 2, 3 и 4. Наиболее низкие пределы обнаружения примесей в диоксиде германия достигнуты с использованием ХАЭС. Из сравнения данных табл. 1 и 4 видно, что содержание ряда примесей

Таблица 3. Содержание примесей в изотопно обедненном 0е02

Примесь 0е02, ррт* Примесь Ое02, ррт*

ЛМС ИСП-МС ИМС ЛМС ИСП-МС ИМС

и - <0.01 <0.01 Бп <4 <0.2 <0.1

Ве - <0.01 <0.01 БЪ <1 <0.2 <0.05

В <0.03 <2 0.09 Те <4 <0.5 <0.4

№ 0.1 <6 <0.05 I <2 - <0.05

Mg - <1 <0.01 Сэ <2 <0.01 <0.1

А1 0.8 <3 0.1 Ва <2 <0.4 <0.2

Р <2 <8 6 Ьа <2 <0.02 <0.1

К 0.4 <7 <0.05 Се <2 <0.02 <0.1

Са 2 17.3 20 Рг <2 <0.01 <0.05

Бс <0.2 <0.2 0.7 Ш <7 <0.03 <0.2

Т1 <0.3 <1 <0.1 Бт <8 <0.01 <0.1

V <0.3 <0.2 <0.05 Еи <4 <0.004 <0.04

Сг <0.3 <2 0.04 Оd <10 <0.01 <0.2

Мп <0.3 <0.2 0.2 ТЪ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком