CN102206869B - 炉体移动式高纯晶体生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炉体移动式高纯晶体生长装置，包括机架、安瓿、炉体和控制装置，所述的机架立柱上设置丝杠和纵向导轨，所述的丝杠同轴连接丝杠电机，所述的纵向导轨与滑座动配合，滑座上设置炉体；所述的炉体内设置炉芯，炉芯内同轴连接炉膛；所述的炉体下方的机座之间设置安瓿控制装置，所述的安瓿控制装置上设置驱动电机和安瓿旋转轴，两者通过同步带实现动力传动；所述的安瓿旋转轴连接安瓿支杆，安瓿支杆顶端设置安瓿，安瓿同轴连接于炉膛中轴线上；炉体下端设置与安瓿支杆动密封配合的炉体密封门。本发明的安瓿震幅小于1微米，高温恒温区温度不均匀性≤±1.5℃，低温恒温区温度不均匀性≤±2℃，设备持续工作时间不低于30天，无故障时间大于2年。

Description

炉体移动式高纯晶体生长装置

技术领域

本发明属于新材料加工设备技术领域，尤其属于晶体加工设备技术领域，具体涉及一种加热炉体移动而晶体处于相对平稳状态下生长的炉体移动式高纯晶体生长装置。

背景技术

高纯晶体以其优良的物理性能，在高技术领域得到了广泛的应用，为科技进步发挥着越来越重要的作用。比如镉锌碲(CZT-CdZnTe)晶体探测器性能优越，在核安全、环境监测、天体物理和医学成像等领域得到了越来越广泛的应用，CZT晶体也是军用红外焦平面探测器的关键材料。制备出低缺陷、高质量的CZT大单晶材料是获得性能优异探测器的前提条件，但是由于CZT具有生长温度高、热导率低、层错能低等特点，生产质量优异、重复性好的CZT单晶对生产设备的要求非常高，而且成品率低，成本畸高。而且西方国家对我国采取严格禁运的技术封锁政策，严重制约了我国晶体探测器的推广应用。

现有技术制备高纯晶体(比如碲锌镉单晶体)多采用安瓿容器方式，一般采用加热炉配合移动的安瓿容器形成单晶体生长环境。法国生产的晶体生长设备采取安瓿移动而加热炉静止的晶体生长方式，安瓿容器安装在一个纵横双向运动的连杆上。由于安瓿容器质量轻，双向运动部件的运动间隙导致安瓿容器运动中产生震动，震幅可达3-4微米，这种条件下非常不利于晶体的生长。此外这种设备的温度控制也不理想，最高温度1300℃，高温恒温区的长度≥250mm，温度不均匀性≤±3℃，低温恒温区的长度≥200mm，温度不均匀性≤±5℃，温度梯度＞8～10℃。温度变化过大导致晶体生成困难，成品率差。因此，如想生产出高品质的高纯晶体，需要提供一种工作震动小，温度控制精确且温度梯度小的晶体生长设备。本发明人经过潜心研究，研制开发出了一种工作震动小、温度分布均匀且可分区控制温度的炉体移动式高纯晶体生长装置，实验证明，效果良好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，工作震动小、温度分布均匀且可分区控制温度的炉体移动式高纯晶体生长装置。

本发明的目的是这样实现的：包括机架、安瓿、炉体和控制装置，所述的机架立柱上设置丝杠和纵向导轨，所述的丝杠同轴连接丝杠电机，所述的纵向导轨与滑座动配合，滑座上设置炉体；所述的炉体内设置炉芯，炉芯内同轴连接炉膛；所述的炉体下方的机座之间设置安瓿控制装置，所述的安瓿控制装置上设置驱动电机和安瓿旋转轴，两者通过同步带实现动力传动；所述的安瓿旋转轴连接安瓿支杆，安瓿支杆顶端设置安瓿，安瓿同轴连接于炉膛中轴线上；炉体下端设置与安瓿支杆动密封配合的炉体密封门；所述的炉芯为设置2～3段可调恒温区和1～2段温度梯度区的多单元组合结构，各温度区的温度分别调节控制；所述的炉芯的高温恒温区长度≥300mm，低温恒温区长度≥300mm；所述的丝杠为精密滚珠丝杠。

本发明采用加热炉体移动方式，精细平稳地控制安瓿的转动，有效防止安瓿的震动，使晶体处于相对平静生长状态，更有助于培育高品质的晶体；分区精确控制炉芯的温度，不仅提高了炉膛内温度的均匀性，更有利于晶体的生长，且适合不同类型晶体的育晶生长。试验证明，本发明的安瓿震幅小于1微米，炉体震幅小于2.5微米，移动速度调节范围为0.01mm/hour～99.99mm/min，高达60万倍，旋转速度调节范围为0.01～99.99mm/min，高温恒温区温度不均匀性≤±1.5℃，低温恒温区温度不均匀性≤±2℃。本发明性能可靠，持续工作时间不低于30天，无故障时间大于3年。

附图说明：

图1为本发明整体结构主视图；

图2为图1之纵向半剖示意图；

图3为图1之俯视示意图。

图中：1-机架，2-丝杠电机，3-丝杠，4-滑座，5-纵向导轨，6-同步带，7-安瓿控制装置，8-机座，9-炉芯，10-炉膛，11-安瓿，12-炉体，13-安瓿支杆，14-支撑杆，15-驱动电机，16-安瓿旋转轴。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换，均落入本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本发明包括机架1、安瓿11、炉体12和控制装置，所述的机架1立柱上设置丝杠3和纵向导轨5，所述的丝杠3同轴连接丝杠电机2，所述的纵向导轨5与滑座4动配合，滑座4上设置炉体12；所述的炉体12内设置炉芯9，炉芯9内同轴连接炉膛10；所述的炉体12下方的机座8之间设置安瓿控制装置7，所述的安瓿控制装置7上设置驱动电机15和安瓿旋转轴16，两者通过同步带6实现动力传动；所述的安瓿旋转轴16连接安瓿支杆13，安瓿支杆13顶端设置安瓿11，安瓿11同轴连接于炉膛10中轴线上；炉体12下端设置与安瓿支杆13动密封配合的炉体密封门。

所述的炉芯9为设置2～3段可调恒温区和1～2段温度梯度区的多单元组合结构，各温度区的温度分别调节控制；所述的炉芯9的高温恒温区长度≥300mm，低温恒温区长度≥300mm。该设置满足了多种晶体生长的炉温控制要求，同时，与现有技术相比增加了恒温区的长度，使恒温区内的温度变化更小，温度控制更稳定。

所述的炉膛10为99.7％的氧化铝陶瓷管炉膛。

所述的丝杠3为精密滚珠丝杠，实现炉体移动更加平稳，位置移动的可控精度更高。

所述的炉体12为圆筒型双层结构，外层可沿圆周方便地滑动开启或闭合。

所述的炉体12与滑座4铰接配合，炉体12和滑座4之间设置角度调节机构。

所述的安瓿控制装置7设置有水平移动和旋转控制机构。水平移动机构方便于安瓿11与炉膛10的轴线对位，旋转机构使安瓿11在加热过程中实现旋转，确保受热更为均匀，以消除炉芯9供热误差对加热的影响。

所述的机架1立柱上设置1或2套炉体12，对应炉体12设置1或2套安瓿控制装置7，形成单炉体晶体生长装置或双炉体晶体生长装置。双炉体晶体生长装置可以同时生长两根晶体，有效减低生产成本和生产周期，大大提高工作效率。

所述的机架1上设置支撑杆14，以提高机架1的稳定性，从而帮助进一步减小炉体12移动时所可能产生的震动。

所述的丝杠电机2、旋转电机15、炉芯9、炉体12与自动控制装置电性连接；所述的自动控制装置设置遥控盒。

本发明采用工业计算机集中控制，可实现自动、手动、遥控三种控制方式。

通过计算机软件可实现对自动炉温测量及记录、生长期间的自动程序控制及数据实时监测记录，包括控温热偶温度、监控热偶温度、炉体位置、时间、移动速度、转动速度、控温仪表参数(PV、OP、SP和各PID参数)。

本发明的工作原理：

本发明采用炉体12移动加热的方式，精细平稳地控制安瓿11的转动，有效防止安瓿11的震动；丝杠3实现对炉体12升降的精确控制，克服了现有技术两维运动造成安瓿11震动过大的弊端，更有助于培育高品质的晶体；组合单元式炉芯9有助于实现对温度的分区控制，进一步提高了炉膛10内温度的均匀性，不仅有利于晶体的生长，而且可广泛适用于多种类型晶体的生长。通过计算机软件可实现自动炉温测量及记录，生长期间的自动程序控制及数据实时监测记录：控温热偶温度、监控热偶温度、炉体位置、时间、移动速度、转动速度、控温仪表参数(PV、OP、SP和各PID参数)，确保了生产过程的自动化，保证了晶体具有最佳的生长条件。

以THM型炉体移动式高纯晶体生长装置培育生产高纯碲锌镉(CZT)晶体为例，说明本发明的工作过程：

调整机架1处于水平状态，调节炉体12与滑座4之间的角度，使炉膛9保持垂直；将碲锌镉高纯材料放入安瓿11中，启动空压机抽至高真空后封装；将抽高真空的安瓿11设置在陶瓷质安瓿支杆13顶端，通过安瓿控制装置7上的水平移动机构，使安瓿11与炉膛10轴线正对应；启动丝杠电机2，通过滑座4带动炉体12下降，使安瓿11伸入炉膛10后将炉门关闭。启动炉芯9预热，当炉膛10内温度达到工作温度时，启动丝杠电机2，按工况需要设定移动速度，带动炉体12上下移动，为安瓿11加热；同时，启动安瓿旋转轴16，使安瓿11处于旋转受热状态。就此，整个装置开始育晶工作，保持该状态，直至生长过程完成。

本发明的特点：

1、采取加热炉纵向移动、安瓿纵向静置的加热方式，避免了安瓿移动造成震动过大而影响晶体的生长，安瓿震幅小于1微米；

2、采用组合式加热炉芯，提高了分区控温、梯度变温的稳定性，使温度变化幅度更小；高温恒温区温度不均匀性≤±1.5℃，低温恒温区的长度≥300mm，温度不均匀性≤±2℃；

3、采用丝杠使运行更平稳，控制精度更高；试验证明，移动调速范围宽，调幅达60万倍(0.01mm/hour～99.99mm/min)；旋转速度范围0.01～99.99mm/min；可由计算机编程控制实现多段不同速度的匀速及变速移动，震幅小于2.5微米；

4、结构简单，工作稳定，晶体材料的成品率提高15％～20％，设备持续工作时间不低于30天，无故障时间大于2年；

5、该装置的加工成本低廉，同类型进口设备的价格50万欧元，本发明可降低至人民币120万元，并彻底摆脱了该设备受制于人的被动局面，可以节约大量的外汇。

Claims (8)

1.一种炉体移动式高纯晶体生长装置，包括机架(1)、安瓿(11)、炉体(12)和控制装置，其特征是：所述的机架(1)立柱上设置丝杠(3)和纵向导轨(5)，所述的丝杠(3)同轴连接丝杠电机(2)，所述的纵向导轨(5)与滑座(4)动配合，滑座(4)上设置炉体(12)；所述的炉体(12)内设置炉芯(9)，炉芯(9)内同轴连接炉膛(10)；所述的炉体(12)下方的机座(8)之间设置安瓿控制装置(7)，所述的安瓿控制装置(7)上设置驱动电机(15)和安瓿旋转轴(16)，两者通过同步带(6)实现动力传动；所述的安瓿旋转轴(16)连接安瓿支杆(13)，安瓿支杆(13)顶端设置安瓿(11)，安瓿(11)同轴连接于炉膛(10)中轴线上；炉体(12)下端设置与安瓿支杆(13)动密封配合的炉体密封门；所述的炉芯(9)为设置2～3段可调恒温区和1～2段温度梯度区的多单元组合结构，各温度区的温度分别调节控制；所述的炉芯(9)的高温恒温区长度≥300mm，低温恒温区长度≥300mm；所述的丝杠(3)为精密滚珠丝杠。

2.根据权利要求1所述的炉体移动式高纯晶体生长装置，其特征是：所述的炉膛(10)为氧化铝陶瓷管炉膛。

3.根据权利要求1所述的炉体移动式高纯晶体生长装置，其特征是：所述的炉体(12)为圆筒型双层结构，外层可沿圆周滑动开启或闭合。

4.根据权利要求1或3所述的炉体移动式高纯晶体生长装置，其特征是：所述的炉体(12)与滑座(4)铰接配合，炉体(12)和滑座(4)之间设置角度调节机构。

5.根据权利要求1所述的炉体移动式高纯晶体生长装置，其特征是：所述的安瓿控制装置(7)设置有水平移动和旋转控制机构。

6.根据权利要求1所述的炉体移动式高纯晶体生长装置，其特征是：所述的机架(1)立柱上设置1或2套炉体(12)，对应炉体(12)设置1或2套安瓿控制装置(7)，形成单炉体晶体生长装置或双炉体晶体生长装置。

7.根据权利要求1或6所述的炉体移动式高纯晶体生长装置，其特征是：所述的机架(1)上设置支撑杆(14)。

8.根据权利要求1所述的炉体移动式高纯晶体生长装置，其特征是：所述的丝杠电机(2)、旋转电机(15)、炉芯(9)、炉体(12)与自动控制装置电性连接；所述的自动控制装置设置遥控盒。

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