DD156719A1

DD156719A1 - Verfahren zum regeln einer zonenschmelzanlage

Info

Publication number: DD156719A1
Application number: DD22799381A
Authority: DD
Inventors: Peter Volkmer; Ralf Goebel
Original assignee: Peter Volkmer; Ralf Goebel
Priority date: 1981-03-03
Filing date: 1981-03-03
Publication date: 1982-09-15
Also published as: DE3147818A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung von Reinststoffen. Ihr Ziel ist es, mit verringertem Aufwand fehlerfreie Messwerte zu erfassen und die Zonenschmelzanlage unabhaengig von der zu schmelzenden Substanz sowie der Homogenitaet und der Konstanz des Durchmessers des Ausgangsstabes zu regeln und die Phasengrenzwinkel numerisch stabil zu bestimmen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Erfassung der horizontalen und vertikalen Verteilung der Strahlungsintensitaet nicht getrennt erfolgt und der Einfluss von bedampften Sichtscheiben auf den Messwert der Intensitaet ausgeschaltet ist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe durch ein Verfahren geloest, bei dem mittels eines photoelektrischen Empfaengers ein Bild der Umgebung der Schmelzzone mit einem Elektronenstrahl abgetastet wird und die dabei gewonnenen Intensitaetssignale als Regelgroesse ueber einen zwischengeschalteten Regelkreis mit Prozessrechner zur Beeinflussung der Vorschuebe des Aufschmelz- und Erstarrungsstabes und/oder der Schmelzleistung verwendet werden. Anwendungsgebiet der Erfindung ist das tiegellose Zonenschmelzen.

Description

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Verfahren zum Hegeln einer Zonenschmelzanlage Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung "bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung von Reinststoffen und ist beim tiegellosen Zonenschmelzen" zweckmäßig anwendbar_e

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen bekannt_y die alle darauf abzielen, die geometrischen Größen der zu schmelzenden stabfb'rmigen Materialien und/oder der Schmelzzpne zu messen und zu.r Steuerung des stationären oder auch des instationären Ziehvorganges zu verwenden» So ist es nach der DE-AS 1231671 bekannt, den Durchmesser der Erstarrungsfront der Schmelzzone mittels eines photoelektrischer! Empfängers dadurch zu steuern, daß das Bild der Umgebung der Erstarriingsfront mit einem Elektronenstrahl zeilenweise abgetastet wird» Die Durchmesserregelung erfolgt mit einem Regelkreis j der zwischen, den photoelektrischen Empfänger und die den Vorschub der Stabenden regelnden Einrichtung geschaltet ist, Nachteilig ist'dabei, daß fehlerhafte Meßwerte nicht auszuschließen sind» Durch das Bedampfen der Sichtscheiben ändern sich die Absorptionsbedingungen und damit der Absolutwert der meßbaren Intensität,. Außerdem ist diese Methode für die Mehrzahl der Substanzen nicht anwendbar, da. sich das Emissionsvermögen am Schmelzpunkt nicht deutlich sprunghaft ändert. Ein weiterer Mangel besteht darin, daß nur- homogene Ausgangsstäbe mit konstantem Durchmesser verwendet werden können, da nur dann

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die alleinige Bestiirmiung des Durchmessers der Schmelzzone ausreichende Informationen zur Regelung des Prozesses liefert« Darüber hinaus ist ein relativ großer Aufwand erforderliehj da die Bestimmung der horizontalen und vertikalen Intensitätsverteilung mit getrennten Aufnahme- und Meßvorrichtungen erfolgt j die einzeln angesteuert und ausgewertet werden müssen. Nach der DE-OS 2247 651 ist ein Verfahren zum tiegellosen Zonenschmelzen bekannt; bei dem die Schmelzzone mit einer Fernsehkamera unter konstant gehaltenen Aufnahmebedingungen überwacht wird und aus den von der Fernsehkamera gelieferten Impulsen Informationen über das Volumen der Schmelzzone, ausgezeichnete Winkel an der Schmelz- und Erstarrungsfront und den Durchmesser des Stabes an der Erstarrungsfront gewonnen werden« Diese Informationen werden zur Abstandsänderung der die Schmelzzone begrenzenden Stabenden und zur Änderung der zugeführten Energie benutzt. Als Mangel tritt dabei ebenfalls die fehlerhafte Meßwerterfassung infolge des Bedampfens der Sichtscheiben auf und außerdem werden die Phasengrenzwinkel infolge der Bestimmung des Differenzenquotienten aus den Durchmesserunterschieden der Schmelzzone an der Phasengrenze numerisch instabil bestimmt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit verringertem Aufwand fehlerfreie Meßwerte zu erfassen und die Zonenschmelzanlage unabhängig von der zu schmelzenden Substanz sowie der Homogenität und der Konstanz des Durchmessers des Ausgangsstabes zu regeln und die Phasengrenzwinkel numerisch stabil zu bestimmen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein. Verfahren anzugeben, bei dem die Erfassung' der horizontalen und vertikalen Verteilung der Strahlungsintensität nicht getrennt erfolgt, der Einfluß von bedampften Sichtscheiben auf den Meß-

wert der Intensität ausgeschaltet ist, keine deutliche sprunghafte Änderung des Emissionsvermögen am Schmelzpunkt erforderlich ist, das nicht; nur mit der Bestimmung von Durchmessern der Schmelzzone arbeitet und das nicht den Diff'erenzquotienten aus Durchmesserunterschieden der Schmelzzone an der Phasengrenze verwendet« Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem mittels eines photoelektrischen Empfängers ein Bild der Umgebung der Schmelzzone mit einem Elektronenstrahl abgetastet wird und die dabei gewonnenen Intensitätssignale als Regelgröße über einen zwischengeschalteten Regelkreis mit Prozeßrechner zur Beeinflussung der Vorschübe des Aufschmelz- und Erstarrungsstabes und/oder der Schmelzleistung verwendet werden« Die Messung der Intensität der Eigen-strahlung der Zonen- und Staboberfläche entlang der Umgebung der Schmelzzone wird, durch opto-elektrisches Ab~ tasten des Bildes in Intervallen quer und längs zur Stabachse." vorgenommen* Daraus werden der Gradient der Intensität svert ei lung und seine Ableitung und aus der Lage der Unstetigkeiten des Gradienten zur Verteilung längs zur Stabachse die Lage der Phasengrenzen fest-flüssig und damit die Länge der Schmelzzone bestimmte Aus der Lage der Unstetigkeiten des Gradienten .zur Verteilung quer zur Stabachse werden die Durchmesser des schmelzenden Stabes und des erstarrenden Stabes sowie der Schmelzzone an mindestens drei ausgewählten Stellen- ermittelt» Dem Prozeßrechner werden die erhaltenen Meßwerte übergeben sowie die Zielgrößen und Koeffizienten eingegeben und von diesem nach Regelfunktionen

= ^Ps

V ^(IV)

'R₂ = R₂ (Eg, V₂)' (V)

die durch Linearkombinationen und Produkte von Potenz- und Exponentialfunktionen aus Meßwerten, Zielgrößen und Koeffi zienten gebildet werden, die Stellgrößen Schmelzleistung,

mm It. mm

Vorschub Aufschmelzstab una Vorschub Erstarrungsstab errechnet und den jeweiligen Stellgliedern übermittelt. Die Meßwerte gemäß Tabelle 3. werden beispielsweise mittels Regression nach einer Zonenfunktion, die z. B_e ein Polynom 3» Grades sein kann, oder durch Splineglättung der Phasenwinkel γ>-α bestimmte Die Koeffizienten stellen abzugleichende, verfahrensspezifische und stoffwertbezogene Parameter dar,'die zweckmäßigerweise experimentell ermittelt, oder, durch Simulation an einem mathematischen Modell gewonnen werden· Vorzugsweise werden die Regelfunktionen durch lineare, quadratische oder Exponentialfunktionen bzw» deren Summen und Produkte aus Meßdaten, Sollwerten und Koeffizienten gebildet« ·

Ausführungsbeispiel .

In einer Zonenschmelzanlage soll aus einem Molybdänstab von 6 mm Durchmesser, ein einkristalliner Stab von 4- mm Durchmesser hergestellt werden. Dazu werden zunächst die Zielgrößen und Eingabewerte entsprechend der Tabellen 1 und 2 festgelegt und in den Prozeßrechner eingegeben. Die Zonenschmelzanlage positioniert sich dadurch auf die Anfangslage Z oder den Anfangsdurchmesser der Schmelzzone D ein, indem der Aufschmelzstab an einer Fernsehaufnahmeeinrichtung vorbeibewegt wird, bis Z oder· D mit der Pernsehaufnahmeeinrichtung gemessen, wird» Vom Prozeßrechner wird, nun nach der Punktion (I) die Schmelzleistung P als Stellgröße ermittelt und dem Schnielzleistungserzeuger ein entsprechendes

Steuersignal erteilt« Ist die Wärmedehnung erreicht, wird nach Punktion (II) eine veränderte Schmelzleistung P eingestellt. Die Pernsehaufnahmeeinrichtung beginnt nunmehr mit der Auswertung der Meßdaten. Sind zwei Phasengrenzen festflüssig meßbar, wird der Randwinkel an der Erstarrungsfront S^Tj ermittelt und beim Erreichen des vorgegebenen Wertes οί*, werden vom Prozeßrechner alle Meßwerte entsprechend Tabelle aus einer Kurvenformangleichung ermittelt« Nach den Punktionen (III), (IV) und (V) v/erden danach die Stellgrößen gemäß Tabelle 4'ermittelt und den Stellgliedern für die Stab-

Vorschübe und dem Schinelzleistungserzeuger übermittelt« In der Funktion (IV) wird der WinkeIC/Vo ^J durch eine Steuerfunk-

/ SX

tion bestimmt, die das vorgegebene Dickenwachstum des Kri-

stalls D₀ enthält« 1st der Solldurchmesser D_x-, erreicht,

(o) wird nach Funktion (IY) der Winkel C/χΛ ^J zur Konstanthaltung des Durchmessers verwendet« Der Prozeßrechner kontrolliert dabei j ob mit dem Wert 9p &i-^e Bedingung D^₁ = const * eingehalten wird und ermittelt gegebenenfalls für.· C-Pπ einen neuen .Wert« Erreicht die Länge des erstarrten Stabes S die vorgegebene Zielgröße_} beginnt das Abschmelzen* Dazu wird in Funktion (IV) der Winkel ^₁. ^J für die Endphase verwendete

D-rp Durchmesser des Erstarrungsstabes

S Länge des erstarrten Stabes Tabelle 2 ~ Eingabewerte

Λ¹ ' Randwinkel für Wachstum i = 1 in Anfangsphase

i = O mit konst« Durchmesser

i = 2 in Endphase

C/-DA Grenzwerte des Randwinkels bei statischem Aufschmelzvor- ^/ gang

R Züchtungsgeschwindigkeit D . Grenzwerte für minimalen Durchmesser Z Anfangslage Aufschmelzfront D Anfangsdurchmesser j

V Anfangsvolumen y der Schmelzzone H Anfangslänge

^'³Ro ^·^η^^αηε sv/inkel

L Anfangslänge des Stabes

PL Aufschmelzhohe ) relativ, bezogen auf die Fern-H.2 Erstarrungsfronthöhe J Sehaufnahmeeinrichtung

Dp Durchmesser des erstarrenden Stabes

ψ,-η Randwinkel an der Erstarrungsfront

V" Volumen der Schmelzzone

P Schiiielzleistung

v^ Geschwindigkeit der Aufschmelzfront

Vp Geschwindigkeit der Erstarrungsfront

Z Lage der Erstarrungsfront bezüglich H

Tabelle 4- - Stellgrößen

P Schnielzleistung R/j Vorschub j Auf schmelz stab

R₉ Vorschub, Erstarrungsstab

Claims

Erfindungsanspruch

β Verfahren zum Regeln einer Zonenschmelzanlage bei dem mittels eines photoelektrischen Empfängers ein Bild der Umgebung der Schmelzzone mit einem Elektronenstrahl abgetastet wird und die dabei gewonnenen Intensitätssignale als Regelgröße über einen zwischengeschalteten Regelkreis mit Prozeßrechner zur Beeinflussung der Vorschübe des Aufschmelz- und ErstarrungsStabes und/oder der Schmelzleistung verwendet werden, gekennzeichnet dadurch, das die Messung der' Intensität der Eigenstrahlung der Zonen- und Staboberfläche entlang der Umgebung der Schmelzzone durch opto-elektrisches Abtasten des Bildes in Intervallen quer und längs zur Stabachse vorgenommen wird,'daraus der Gradient der Intensitätsverteilung und seine Ableitung bestimmt werden, aus der Lage der Unstetigkeiten des Gradienten zur Verteilung längs zur Stabachse die Lage der Phasengrenzen fest-flüssig und damit die Länge der Schmelzzone und zur'Verteilung quer zur Stabachse die Durchmesser des schmelzenden Stabes und des erstarrenden Stabes sowie der Schmelzzone an mindestens drei ausgewählten Stellen ermittelt werden, die erhaltenen Meßwerte sowie die Zielgrößen und Koeffizienten dem Prozeßrechner über- bzw. eingegeben, von diesem nach Regelfunktionen

P₃=P₈ (V₁₅ D₁, R_s5 D_min) (III)

R₁ ^R₁ (R_s,^,^(i)i V₁, D₁) (IV) .,R₂ = R₂ (Rg/ V₂) · , (V)

die durch Linearkombinationen und "Produkte von Potenz- und Exponentialfunktionen aus Meßwerten, Zielgrößen und Koeffizienten gebildet v/erden, die Stellgrößen Schmelzleistung', Vorschub Aufschmelzstab und Vorschub Erstarrungsstab errechnet und den jeweiligen Stellgliedern übermittelt werden«

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2« Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Koeffizienten als abzugleichende, verfahrensspezifische und stoffwertbezogene Parameter experimentell oder, durch Simulation an einem mathematischen Modell gewonnen werden*
3* Verfahren nach PunktA_% gekennseichnet dadurch, daß die Regelfunktionen aus Meßwerten, Zielgrößen und Koeffizienten vorzugsweise durch lineare_f quadratische oder Exponentialfunktionen bzw* deren Summen und Produkte gebildet werden«