CN100567598C - 锗单晶热压形变装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备锗单晶的热压形变装置。该装置包括加热和控温系统、真空系统、压力系统等几部分。其中加热和控温系统由真空热压炉和监测炉膛温度的热电偶组成；真空系统由石英钟罩、真空泵以及连接石英钟罩与真空泵的管路组成；压力系统是通过气缸驱动推杆，同放置在石英钟罩内的下模具相连，其中真空热压炉的炉口朝下，底部固定在沿滑轨运动的传动装置上；真空系统、压力系统固定在操作平台上。该系统设计简单，工效得到较大幅度提高。
Description
技术领域
本发明属于中子散射技术，具体涉及一种制备锗垂直聚焦中子单色器所用的锗单晶的热压形变装置。
背景技术
锗晶体垂直聚焦中子单色器是中子散射谱仪的核心部件之一，在垂直方向的实空间聚焦效果可以成倍提高在中子散射谱仪样品位置处的单色中子束强度，并且几乎不会影响中子散射的分辨，在提高反应堆中子源和中子谱仪的利用效率方面是一种经济且效果明显的技术手段。锗晶体垂直聚焦中子单色器需要使用各向异性的锗嵌镶晶体，它在散射平面的嵌镶宽度大，并且侧向均匀分布，以匹配入射束在散射平面的发散获得足够的积分强度，在与散射平面垂直的平面内，晶体的嵌镶宽度小并且侧向均匀分布，以提高垂直方向的实空间聚焦效果。以一种受控的和可重复的方式生产各向异性锗嵌镶晶体对于制造聚焦中子单色器是极端重要的。
在文献Neutron Research 2(1994)85与Nucl.Instr.and Meth.A 338，pp.71-77，1994中，美国BNL(Brookhaven National Laboratory)实验室首先提出锗薄片热压工艺，并成功制造第一台锗晶体垂直聚焦中子单色器。对锗单晶片的热压成形过程包括形变、焊接、切割等过程。锗单晶片的形变操作是在一个专用的真空热压炉中进行的，工作温度是870℃，略低于锗的熔点(937.4℃)。每个锗单晶片依次完成正面弯压-展平-反面弯压-展平-最后陶瓷展平五个步骤。完成形变操作后就可以进行焊接和切割操作。文献所公开的锗单晶热压形变装置的主体为一个真空热压炉，真空热压炉的炉口朝上，固定安装在操作台上。放置锗单晶的多个工位呈圆周布置，依次自动放置到真空热压炉的炉膛内进行热压形变。这种锗单晶热压形变装置虽然对真空热压炉的要求不高，但为了保持一定的真空度，使得真空系统、压力系统的设计变得较为复杂，同时，生产效率较低。
发明内容
本发明将针对现有技术中锗单晶热压形变装置设计较复杂，工效较低的问题，提供一种具备循环作业能力且采用半自动化操控方式以提高工效的锗单晶热压形变装置。
一种锗单晶热压形变装置，包括加热和控温系统、真空系统、压力系统等几部分。其中加热和控温系统由真空热压炉和监测炉膛温度的热电偶组成；真空系统由石英钟罩、真空泵以及连接石英钟罩与真空泵的管路组成；压力系统是通过气缸驱动推杆，同放置在石英钟罩内的下模具相连，关键在于，所述的真空热压炉的炉口朝下，底部固定在沿滑轨运动的传动装置上，所述的真空系统、压力系统固定在操作平台上。
所述真空热压炉与工位的布置既可以是在一条直线上，也可沿圆周布置。
操作时，真空热压炉沿滑轨移动，选择已经装片完毕、抽真空的石英钟罩，完成行走、定位、落下、锁紧等动作，罩住石英钟罩加热锗单晶。
与现有技术相比，本发明所提供的锗单晶热压形变装置的运动对象发生了改变，由炉口朝下的真空热压炉作相对于工位的运动，从而使得真空系统、压力系统的设计变得比较简单，通过石英钟罩倒扣在操作工作台上即可提供热压工件时所需要的真空环境。同时，由于运动部件减少，使得辅助设备特别是一些管路的设计变得简单，从而使得工效有较大幅度提高。
附图说明
图1锗单晶热压形变装置布置示意图；
图2真空热压炉结构示意图；
图3压力系统结构示意图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的缺陷，提出一种新型的锗单晶热压形变装置，该装置简化了真空系统的设计，能较大幅度提高工效。下面将结合附图1、2、3对本发明的技术方案进行详细地阐述。
一种锗单晶热压形变装置，主要包括加热和控温系统、真空系统、压力系统。
加热和控温系统由真空热压炉8和监测炉膛温度的热电偶组成。真空热压炉8的炉口朝下，底部固定在沿滑轨1运动的传动装置2上。其炉壁12为钢结构，内层设置保温层13，并沿圆周布置电炉丝14、热电偶。真空热压炉8最高温度为950℃，正常工作温度为870℃，通过热电偶监测并显示炉膛和模具的温度。电炉丝14的功率应该保证模具的升温速度为870℃/50分钟～870℃/30分钟，本实施例选取870℃/40分钟。同时，真空热压炉8设计为开启式或炉子专用一个冷却工位，以保证在30～40分钟内炉膛的温度能快速从870℃快速降到300℃。另外，炉内恒温区保证在装载工件的初始状态下整个模具所占据的区域内温度均匀，温度精度为±5℃。
真空系统由石英钟罩7、真空泵4组成，石英钟罩7与真空泵4通过真空阀11相连。本实施例使用4个石英钟罩7，它们以倒扣的方式直接放置在设有水冷夹套的操作平台9的真空水冷法兰21里，不需要使用锁定装置，因此这种真空密封方法大大简化了真空系统的设计。石英钟罩7由高纯度的石英水晶材料制成，为保证高温状态抽取并保持罩内真空，罩壁要有足够的厚度和强度承受高温、负压。同时，有合理的加热空间保证均温区的温度均匀性。石英钟罩7分别处于加热、冷却、取料/装料工作状态，轮流循环、连续作业。
每个石英钟罩7内放置1套模具。每套模具由上模、下模组成，分别是上平模具15、下平模具16，以及上弯模具19、下弯模具20。其中上平模具15、上弯模具19通过2根上平模具固定杆17固定在真空水冷法兰21上，模具压力装置10由下模具构成，其中下平模具16、下弯模具20与下平模具推杆18相连，下平模具推杆18通过手动调节阀6与气缸5相连，由气缸5推动下平模具推杆18上下移动。上平模具15、下平模具16表面平整度为20μm。上弯模具19为凸模具，由凸起的圆柱面体和平底座组成，圆柱面弧对应的弦长为8cm，弦高为2.07cm，柱面高为8cm；下弯模具20为凹模具，凹下去的圆柱面部分，其半径、弦长、弦高和柱面高度与凸模具相同，以便可以与上模具19相互紧密吻合。压力测量由安装在4根下模具推杆上的压力传感器和控制仪表分别控制，压力范围为1～6N/cm2。
使用时，在第一个工位上，将待加工的锗单晶送入模具中，盖上石英钟罩7，对石英钟罩7抽真空。通过控制传动装置2移动真空热压炉8完成行走、定位、落下、锁紧等动作，待石英钟罩7进入炉膛后，炉子开始加热，将石英钟罩7中的锗单晶和模具加热至870℃。然后启动施压系统，对工件施加压力并保持一段时间后，切断电炉电源，炉子被移到专用的冷却工位上，打开风机使炉膛快速降温。与此同时，第一工位上的工件在保压状态下开始空冷降温过程，从而完成一次热压形变过程。在四个工位上依次按照以上操作步骤循环作业可以最大化的提高生产效率。
在本实施例中，真空热压炉8与工位的布置是在一条直线上。也可根据实际要求，工位呈圆周布置，工位上方的真空热压炉8的运行轨迹也呈圆周状。
本发明所提供的技术方案不仅可以用于锗单晶的热压形变，还可用于其他单晶的热压形变。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，假若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种锗单晶热压形变装置，包括加热和控温系统、真空系统、压力系统等几部分，其中加热和控温系统由真空热压炉(8)和监测炉膛温度的热电偶组成；真空系统由石英钟罩(7)、真空泵(4)以及连接石英钟罩(7)与真空泵(4)的管路组成；压力系统是通过气缸(5)驱动推杆，同放置在石英钟罩(7)内的下模具相连，关键在于，所述的真空热压炉(8)的炉口朝下，底部固定在沿滑轨(1)运动的传动装置(2)上，所述的真空系统、压力系统固定在操作平台(9)上。
2.根据权利要求1所述的锗单晶热压形变装置，其特征在于：所述真空热压炉(8)与工位的布置是在一条直线上，或沿圆周布置。
3.根据权利要求1或2所述的锗单晶热压形变装置，其特征在于：真空热压炉(8)设计为开启式或炉子专用一个冷却工位。
4.根据权利要求1或2所述的锗单晶热压形变装置，其特征在于：真空热压炉(8)所用的电炉丝(14)的功率应该保证模具的升温速度为870℃/50分钟～870℃/30分钟。
5.根据权利要求1或2所述的锗单晶热压形变装置，其特征在于：真空热压炉(8)炉内的恒温区保证在装载工件的初始状态下整个模具所占据的区域内温度均匀，温度精度为±5℃。
6.根据权利要求1所述的锗单晶热压形变装置，其特征在于：所述的石英钟罩(7)直接放置在设有水冷夹套的操作平台(9)的真空水冷法兰(21)里。
7.根据权利要求1所述的锗单晶热压形变装置，其特征在于：上平模具(15)或上弯模具(19)通过上平模具固定杆(17)固定在真空水冷法兰(21)上；下平模具(16)或下弯模具(20)与下平模具推杆(18)相连，下平模具推杆(18)通过手动调节阀(6)与气缸(5)相连。
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