CN207998651U - 一种焰熔法生长晶体的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种焰熔法生长晶体的燃烧器，包括：锥形送料口、中心管、氢气入口、外部氧气入口、氢气环形管道、外部氧气环形管道、晶体生长室以及晶体生长基座，锥形送料口与中心管连接，粉体和氧气从锥形送料口送入中心管，中心管外设置氢气环形管道，氢气环形管道通过与其连接的氢气入口充入氢气，氢气环形管道外设置外部氧气环形管道，外部氧气环形管道通过其连接的外部氧气入口充入氧气，中心管、氢气环形管道、外部氧气环形管道的末端均与晶体生长室相连通，生长室内设置晶体生长基座。本实用新型的优点能够大幅度减少燃烧器的径向和轴向的压力分布，使氧气径向分布更加均匀，减少晶体氧空位，大幅提高晶体生长的尺寸和均匀性，提高晶体质量。

Description

一种焰熔法生长晶体的燃烧器

技术领域

本实用新型属于晶体材料研究技术领域，特别涉及一种焰熔法生长晶体的燃烧器。

背景技术

传统的焰熔法晶体生长燃烧器，都是两管燃烧器。炉体高为250mm,外径为180mm,炉膛内腔为圆锥台型,上部直径为40mm,下部直径为60mm。炉体内的耐火层用刚玉粉和粘土混合而成,保温层用石棉填充,外壁是用1mm厚的钢板制成的圆筒。中心孔直径为4mm,用于通入氧气和氧化物粉末,在直径为18mm的圆上均匀分布12个直径为2mm的氢气孔。工作时，氧气和氧化物粉末从上部进入燃烧室内，氧气与外部管内通入的氢气汇合燃烧提供燃烧室内 20000℃左右的温度，融化粉体形成融帽，进而生长晶体。这种两管燃烧器的缺点在于三个方面：首先提供的火焰集中在融帽顶部，而融帽径向温度梯度大，使晶体阔肩生长困难，不易长成大尺寸晶体，仅靠增大中心喷嘴直径以降低径向温度梯度是不行的,因为中心喷嘴直径增大后，为防止回火，必须保持氧气的流量，致使发热量超过需要，造成局部温度过高；其次，过于集中的气流导致炉体内融冒周围轴向和径向压力分布存在较大梯度，导致生长的晶体成份不均匀，影响晶体质量；最后，由于一些氧化物晶体生长缺陷很大程度上取决于晶体中的氧空位，如硅酸钇镥晶体，如果氧气分布不均匀或者缺氧环境，会增加晶体氧空位，严重影响晶体的光学性能。

在通过焰熔法，使用两管燃烧器生长晶体时，获得的晶体往往缺陷较为明显，物相分布、粒度的不均匀，有明显裂纹，形成晶体尺寸都比较小，如生长的金红石晶体尺寸长度为10mm，直接为6mm左右，同时晶体存在氧空位较为严重，需要进行很好的高温有氧退火处理。

实用新型内容

为解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种焰熔法生长晶体的燃烧器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种焰熔法生长晶体的燃烧器，包括：锥形送料口、中心管、氢气入口、外部氧气入口、氢气环形管道、外部氧气环形管道、晶体生长室以及晶体生长基座，所述锥形送料口与中心管连接，粉体和氧气从锥形送料口送入中心管，所述中心管外同轴设置氢气环形管道，氢气环形管道通过与其连接的氢气入口充入氢气，氢气环形管道外同轴设置外部氧气环形管道，外部氧气环形管道通过与其连接的外部氧气入口充入氧气，所述中心管、氢气环形管道、外部氧气环形管道均与所述晶体生长室相连通，生长室内设置晶体生长基座。

进一步，所述中心管下方为漏斗形结构，氢气环形管道下方与所述中心管下方的漏斗形结构配合形成一环形的氢气存储空间。

进一步，所述中心管的出口设置中心管喷嘴，氢气环形管道的出口设置氢气环形管道喷嘴，外部氧气环形管道的出口设置外部氧气环形管道喷嘴，中心管喷嘴、氢气环形管道喷嘴、外部氧气环形管道喷嘴汇合在同一平面内。

进一步，所述氢气环形管道喷嘴包括n个直径相等的圆孔，n个圆孔的圆心相连形成氢气环形管道喷嘴分布圆，氢气环形管道喷嘴分布圆直径Dn1为 7.2mm-18mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D1为0.5mm-4.5mm；所述外部氧气环形管道喷嘴包括n个直径相等的圆孔，n个圆孔的圆心相连形成外部氧气环形管道喷嘴分布圆，外部氧气环形管道喷嘴分布圆直径Dn2为 18mm-45mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D2为0.5mm-5.0mm；所述Dn1与Dn2的尺寸之间满足：Dn2与Dn1之间差值即Dn2-Dn1＝(1.5～2.5) x Dn1。

进一步，所述中心管喷嘴为一圆形孔，中心管喷嘴直径D0大小根据待制备晶体不同而确定。

进一步，所述中心管的内径d1为6mm-10mm。

进一步，所述氢气环形管道的内径d2为14mm-22mm，氢气环形管道的外径d3为23mm-36mm。

进一步，所述外部氧气环形管道的内径d5为28mm-38mm，外部氧气环形管道的外径d6为36mm-43mm。

进一步，所述氢气入口与氧气入口之间的距离为50mm-100mm，以保证氢气入口、氧气入口与各自相应的管路连接方便操作。

本实用新型的有益效果：本实用新型燃烧器在燃烧器腔体内增加一个环路对氧气进行分流，一方面能够大幅度减少径向和轴向的压力分布，以及径向温度梯度，另一方面能够使氧气径向分布更加均匀，减少晶体氧空位。通过本实用新型三管燃烧器，能够大幅提高晶体生长的尺寸和均匀性，提高晶体质量。

本实用新型燃烧器由内而外的三个形管道提供燃烧气体，提高晶体生长环境的温度、压力分布的均匀性，保证融冒附近形成有氧的氛围，能够有效提高焰熔法生长晶体的质量。

本实用新型中心管、氢气环形管道、外部氧气环形管道需要满足本实用新型给出的各个直径的取值范围内，按照所生长的目标晶体的品种和尺寸不同，选取相应的数值，使得各个空间内的相应气体处于层流状态，并在圆周方向具有相等的压力分布。

本实用新型进一步限定中心管空间尺寸、氢气环形管道空间尺寸、外部氧气环形管道空间尺寸，保证燃烧器内的径向温度梯度，使氧气径向分布更加均匀，本实用新型限定了燃烧器喷嘴的分布和尺寸解决了晶体阔肩生长困难，不易长成大尺寸晶体的技术问题，也进一步保证了氢气和氧气流动方向和流速，确保晶体生长室内形成有氧的氛围，解决晶体氧空位问题。

本实用新型燃烧器生长的金红石单晶体尺寸长度为35mm，直接为23mm，同时其均匀性得到较大提升。

附图说明

图1是本实用新型燃烧器的结构示意图。

其中，1、锥形送料口，2、晶体生长室，3、氢气入口，4、外部氧气入口， 5、晶体生长基座，6、氢气环形管道，7、外部氧气环形管道，8、氢气存储空间，9、漏斗形结构。

d1—中心管的内径，d2—氢气环形管道的内径，d3—氢气环形管道的外径、 d4—燃烧器外壁直径、d5—外部氧气环形管道的内径、d6—外部氧气环形管道的外径、D0—中心管喷嘴直径、D1—氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径、 D2—氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径、Dn1—氢气环形管道喷嘴分布圆、 Dn2—外部氧气环形管道喷嘴分布圆。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，一种焰熔法生长晶体的燃烧器，参见图1，本实施例中燃烧器位于三段圆锥台型结构中部，整体呈圆柱形结构，包括：锥形送料口1、中心管、氢气入口3、外部氧气入口4、氢气环形管道6、外部氧气环形管道7、晶体生长室2以及晶体生长基座5，所述锥形送料口1与中心管连接，粉体和氧气从锥形送料口1送入中心管，所述中心管外设置氢气环形管道6，氢气环形管道6 通过与其连接的氢气入口3充入氢气，氢气环形管道6外设置外部氧气环形管道7，外部氧气环形管道7通过其连接的外部氧气入口4充入氧气，所述中心管、氢气环形管道6、外部氧气环形管道7的末端均与所述晶体生长室2相连通，生长室内设置晶体生长基座5。所述晶体生长基座5置于中心管喷嘴正下方。工作时所述中心管内通入的氧气、氢气环形管道6内通入的氢气、外部氧气环形管道7通入的氧气在喷嘴汇合处混合燃烧形成粉体烧结所需要的高温和气氛，粉体融化后落到中心管喷嘴正下方的晶体生长基座5上形成融帽生长晶体。

氢气入口3设置在氧气入口上方具有一定的距离:之所以氢气入口3设置在氧气入口上方，是因为氢气在燃烧器内的环形通道位于外部氧气环形管道7的内部，是燃烧器结构设计的需要。至于氢气入口3设置在氧气入口上方具有一定的距离，这个距离是为了保证氢气入口3、氧气入口与各自相应的管路连接方便操作，该距离如果过小，那么在与相应的管路连接与拆除时，会因为操作空间过小而影响操作；该距离如果过大，会使燃烧器的尺寸无意义地增加，因此该尺寸在50mm-100mm之间较为合适，但这个尺寸不是绝对的。

中心管下方为漏斗形结构9，氢气环形管道6下方与所述中心管下方的漏斗形结构9配合形成一环形的氢气存储空间8；所述中心管的末端设置中心管喷嘴，氢气环形管道6的末端设置氢气环形管道喷嘴，外部氧气环形管道7的末端设置外部氧气环形管道喷嘴，中心管喷嘴、氢气环形管道喷嘴、外部氧气环形管道喷嘴汇合在同一平面内，所述中心管喷嘴、氢气环形管道喷嘴以及外部氧气环形管道喷嘴可以根据研究晶体的不同更换不同直径的喷嘴，所述氢气环形管道喷嘴包括n个直径相等的圆孔，通过改变圆孔大小以及形状，可以改变氢气的流动方向和流速，以适合研究不同种类的晶体。n个圆孔的圆心相连形成氢气环形管道喷嘴分布圆，氢气环形管道喷嘴分布圆直径Dn1为 7.2mm-18mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D1为0.5mm-4.5mm；所述外部氧气环形管道喷嘴包括n个直径相等的圆孔，通过改变圆孔大小以及形状，可以改变氢气的流动方向和流速，以适合研究不同种类的晶体。n个圆孔的圆心相连形成外部氧气环形管道喷嘴分布圆，外部氧气环形管道喷嘴分布圆直径Dn2为18mm-45mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D2为 0.5mm-5.0mm。

其中Dn1为氢气环形管道分布圆直径，Dn2为外环氧气环形管道分布圆直径。Dn1与Dn2的尺寸之间需要满足如下条件使晶体生长室2内的环境易于晶体生长，Dn2与Dn1之间的差值满足：Dn2-Dn1＝(1.5～2.5)x Dn1，这个关系不是绝对的，就像分布圆孔径和各个孔径的尺寸一样，要按照特定的目标晶体尺寸和生长室的尺寸在这个范围内选取。

其中：中心管的内径d1为8mm，氢气环形管道的内径d2为21mm，氢气环形管道的外径d3为35mm，外部氧气环形管道的内径d5为37mm，外部氧气环形管道的外径d6为41mm，燃烧器外壁直径d4为53mm，中心管喷嘴直径D0 为4mm，中心管喷嘴直径D0大小根据待制备晶体确定。氢气环形管道喷嘴为 12个直径相等的圆孔，12个圆孔的圆心相互连接形成氢气环形管道喷嘴分布圆，氢气环形管道喷嘴分布圆直径Dn1为15.6mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D1为2mm，外部氧气环形管道喷嘴为12个直径相等的圆孔，12 个圆孔的圆心相互连接形成外部氧气环形管道喷嘴分布圆，外部氧气环形管道喷嘴分布圆直径Dn2为39mm，外部氧气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D2 为2mm。

采用本实施例的三管燃烧器生长的金红石晶体方法。包括以下步骤：将处理好的金红石粉体与氧气从锥形送料口1送入中心管，同时，通过氢气入口3 向氢气环形管道内通入氢气，通过氧气入口向外部氧气环形管道通入氧气，氢气、中心管内通入的氧气、外部氧气环形管道通入的氧气以及金红石粉体沿各自通道下行进入喷嘴位置，在喷嘴处喷出混合燃烧，金红石粉体融化后在晶体生长基座5上形成融帽，氢气与中心管内氧气、外部氧气环形管道内氧气在各自压力作用下形成集中于融帽位置的火焰，在融帽附近形成了有氧的氛围，为金红石晶体高质量生长创造条件。生长的金红石晶体尺寸长度为35mm，直接为23mm，光学性能优良。

实施例2，与本实用新型实施例1不同之处在于其中：其中：中心管的内径 d1为8.2mm，氢气环形管道的内径d2为21.5mm，氢气环形管道的外径d3为 36mm，外部氧气环形管道的内径d5为38mm，外部氧气环形管道的外径d6为 43mm，燃烧器外壁直径d4为54.3mm，中心管喷嘴直径D0为3.5mm，中心管喷嘴直径D0大小根据待制备晶体确定。氢气环形管道喷嘴为12个直径相等的圆孔，12个圆孔的圆心相互连接形成氢气环形管道喷嘴分布圆，氢气环形管道喷嘴分布圆直径Dn1为14.5mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D1为 2mm，外部氧气环形管道喷嘴为12个直径相等的圆孔，12个圆孔的圆心相互连接形成外部氧气环形管道喷嘴分布圆，外部氧气环形管道喷嘴分布圆直径 Dn2为40.5mm，外部氧气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D2为2mm。

采用本实施例三管燃烧器生长的金红石晶体。将处理好的钛酸锶粉体与氧气从锥形送料口1送入中心管，同时，通过氢气入口3向氢气环形管道内通入氢气，通过氧气入口向外部氧气环形管道通入氧气，氢气、中心管内通入的氧气、外部氧气环形管道通入的氧气以及钛酸锶粉体沿各自通道下行进入喷嘴位置，在喷嘴处喷出混合燃烧，钛酸锶粉体融化后在晶体生长基座5上形成融帽，氢气与中心管内氧气、外部氧气环形管道内氧气在各自压力作用下形成集中于融帽位置的火焰，在融帽附近形成了有氧的氛围，为钛酸锶晶体高质量生长创造条件。生长的钛酸锶晶体尺寸长度为60mm，直接为26mm，光学性能优良。

实施例3，与本实用新型实施例1不同之处在于其中：中心管的内径d1为 6mm，氢气环形管道的内径d2为14mm，氢气环形管道的外径d3为23mm，外部氧气环形管道的内径d5为28mm，外部氧气环形管道的外径d6为36mm，燃烧器外壁直径d4为48mm，中心管喷嘴直径D0为3.0mm，中心管喷嘴直径D0 大小根据待制备晶体确定。氢气环形管道喷嘴为15个直径相等的圆孔，15个圆孔的圆心相互连接形成氢气环形管道喷嘴分布圆，氢气环形管道喷嘴分布圆直径Dn1为7.2mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D1为0.5mm，外部氧气环形管道喷嘴为15个直径相等的圆孔，15个圆孔的圆心相互连接形成外部氧气环形管道喷嘴分布圆，外部氧气环形管道喷嘴分布圆直径Dn2为 18mm，外部氧气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D2为0.5mm。

采用本实施例三管燃烧器生长的硅酸钇镥晶体。将处理好的硅酸钇镥粉体与氧气从锥形送料口1送入中心管，同时，通过氢气入口3向氢气环形管道内通入氢气，通过氧气入口向外部氧气环形管道通入氧气，氢气、中心管内通入的氧气、外部氧气环形管道通入的氧气以及钛酸锶粉体沿各自通道下行进入喷嘴位置，在喷嘴处喷出混合燃烧，硅酸钇镥粉体融化后在晶体生长基座5上形成融帽，氢气与中心管内氧气、外部氧气环形管道内氧气在各自压力作用下形成集中于融帽位置的火焰，在融帽附近形成了有氧的氛围，为硅酸钇镥晶体高质量生长创造条件。生长的硅酸钇镥晶体尺寸长度为45mm，直接为28mm，光学性能优良。

实施例4，与本实用新型实施例1不同之处在于其中：中心管的内径d1为 10mm，氢气环形管道的内径d2为22mm，氢气环形管道的外径d3为28mm，外部氧气环形管道的内径d5为37mm，外部氧气环形管道的外径d6为42mm，燃烧器外壁直径d4为56mm，中心管喷嘴直径D0为4.0mm，中心管喷嘴直径 D0大小根据待制备晶体确定。氢气环形管道喷嘴为14个直径相等的圆孔，14 个圆孔的圆心相互连接形成氢气环形管道喷嘴分布圆，氢气环形管道喷嘴分布圆直径Dn1为11.4mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D1为4.5mm，外部氧气环形管道喷嘴为14个直径相等的圆孔，14个圆孔的圆心相互连接形成外部氧气环形管道喷嘴分布圆，外部氧气环形管道喷嘴分布圆直径Dn2为 40mm，外部氧气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D2为5mm。

采用本实施例的三管燃烧器生长的金红石晶体方法。包括以下步骤：将处理好的金红石粉体与氧气从锥形送料口1送入中心管，同时，通过氢气入口3 向氢气环形管道内通入氢气，通过氧气入口向外部氧气环形管道通入氧气，氢气、中心管内通入的氧气、外部氧气环形管道通入的氧气以及金红石粉体沿各自通道下行进入喷嘴位置，在喷嘴处喷出混合燃烧，金红石粉体融化后在晶体生长基座5上形成融帽，氢气与中心管内氧气、外部氧气环形管道内氧气在各自压力作用下形成集中于融帽位置的火焰，在融帽附近形成了有氧的氛围，为金红石晶体高质量生长创造条件。生长的金红石晶体尺寸长度为33mm，直接为21mm，光学性能优良。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，当不能以此限定本实用新型实施的范围，凡依本实用新型所作的等同变化与修饰，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种焰熔法生长晶体的燃烧器，其特征在于，包括：锥形送料口、中心管、氢气入口、外部氧气入口、氢气环形管道、外部氧气环形管道、晶体生长室以及晶体生长基座，所述锥形送料口与中心管连接，粉体和氧气从锥形送料口送入中心管，所述中心管外同轴设置氢气环形管道，氢气环形管道通过与其连接的氢气入口充入氢气，氢气环形管道外同轴设置外部氧气环形管道，外部氧气环形管道通过与其连接的外部氧气入口充入氧气，所述中心管、氢气环形管道、外部氧气环形管道均与所述晶体生长室相连通，生长室内设置晶体生长基座。

2.根据权利要求1所述燃烧器，其特征在于，所述中心管下方为漏斗形结构，氢气环形管道下方与所述中心管下方的漏斗形结构配合形成一环形的氢气存储空间。

3.根据权利要求2所述燃烧器，其特征在于，所述中心管的出口设置中心管喷嘴，氢气环形管道的出口设置氢气环形管道喷嘴，外部氧气环形管道的出口设置外部氧气环形管道喷嘴，中心管喷嘴、氢气环形管道喷嘴、外部氧气环形管道喷嘴汇合在同一平面内。

4.根据权利要求3所述燃烧器，其特征在于，所述氢气环形管道喷嘴包括n个直径相等的圆孔，n个圆孔的圆心相连形成氢气环形管道喷嘴分布圆，氢气环形管道喷嘴分布圆直径Dn1为7.2mm-18mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D1为0.5mm-4.5mm；所述外部氧气环形管道喷嘴包括n个直径相等的圆孔，n个圆孔的圆心相连形成外部氧气环形管道喷嘴分布圆，外部氧气环形管道喷嘴分布圆直径Dn2为18mm-45mm，氢气环形管道喷嘴分布圆上的圆孔直径D2为0.5mm-5.0mm；所述Dn1与Dn2的尺寸之间满足Dn2与Dn1之间差值:Dn2-Dn1＝(1.5～2.5)x Dn1。

5.根据权利要求3所述燃烧器，其特征在于，所述中心管喷嘴为一圆形孔，中心管喷嘴直径D0大小根据待制备晶体不同而确定。

6.根据权利要求1所述燃烧器，其特征在于，所述中心管的内径d1为6mm-10mm。

7.根据权利要求1所述燃烧器，其特征在于，所述氢气环形管道的内径d2为14mm-22mm，氢气环形管道的外径d3为23mm-36mm。

8.根据权利要求1所述燃烧器，其特征在于，所述外部氧气环形管道的内径d5为28mm-38mm，外部氧气环形管道的外径d6为36mm-43mm。

9.根据权利要求1所述燃烧器，其特征在于，所述氢气入口与氧气入口之间的距离为50mm-100mm，以保证氢气入口、氧气入口与各自相应的管路连接方便操作。