RU2643980C1 - Thermal node of installation for halogen crystals growing by horizontal unidirectional crystallization method - Google Patents
Thermal node of installation for halogen crystals growing by horizontal unidirectional crystallization method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2643980C1 RU2643980C1 RU2017127968A RU2017127968A RU2643980C1 RU 2643980 C1 RU2643980 C1 RU 2643980C1 RU 2017127968 A RU2017127968 A RU 2017127968A RU 2017127968 A RU2017127968 A RU 2017127968A RU 2643980 C1 RU2643980 C1 RU 2643980C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- graphite
- insulating
- thermal
- mpg
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/12—Halides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
- H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
- H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
- H05B2203/005—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using multiple resistive elements or resistive zones isolated from each other
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B3/00—Ohmic-resistance heating
- H05B3/10—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
- H05B3/12—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
- H05B3/14—Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
- H05B3/145—Carbon only, e.g. carbon black, graphite
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области техники, связанной с выращиванием кристаллов из расплавов методом горизонтально направленной кристаллизации (ГНК), которые широко используются в качестве сцинтилляторов для детекторов ионизирующего излучения, лазерных кристаллов и элементов оптических приборов, работающих в широкой спектральной области от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона длин волн.The invention relates to the field of technology related to the growth of crystals from melts by the method of horizontal directional crystallization (SOC), which are widely used as scintillators for ionizing radiation detectors, laser crystals, and elements of optical devices operating in a wide spectral region from ultraviolet to mid-infrared range of lengths waves.
Уровень техникиState of the art
Галоидные кристаллы - это группа минералов, представляющих собой соединения галогенов с другими химическими элементами или радикалами. К ним относятся фтористые, хлористые и очень редкие бромистые и йодистые соединения. Для выращивания кристаллов минералов природные условия моделируются искусственно в специальных устройствах.Halide crystals are a group of minerals that are compounds of halogens with other chemical elements or radicals. These include fluoride, chloride and very rare bromide and iodide compounds. To grow mineral crystals, natural conditions are simulated artificially in special devices.
Известна установка для выращивания кристаллов (патент РФ на полезную модель №120658). В установке, содержащей корпус, теплоизоляционный кожух, нагреватель и устройство для вертикального перемещения тигля, внутри которого происходит кристаллизация расплава, теплоизоляционный кожух выполнен в виде ряда секций. Каждая из секций образована несколькими телескопически расположенными теплоизоляционными экранами, между которыми имеется зазор. Секции по вертикали разделены между собой горизонтальными перегородками, количество теплоизоляционных экранов по секциям и в каждой секции может быть различным. Нижняя секция расположена под нагревателем и имеет по вертикали несколько рядов теплоизоляционных экранов, причем количество экранов по рядам различно. При этом теплоизоляционные экраны всех секций могут быть выполнены в виде телескопически сопрягающихся цилиндров, между которыми имеются кольцевые зазоры, заполненные газовой средой. Количество теплоизоляционных экранов в каждой из секций может находиться в диапазоне от 1 до 10, а сами экраны могут выполняться из графита.A known installation for growing crystals (RF patent for utility model No. 120658). In the installation comprising a housing, a heat-insulating casing, a heater and a device for vertical movement of the crucible, inside which melt crystallizes, the heat-insulating casing is made in the form of a series of sections. Each of the sections is formed by several telescopically located heat-insulating screens, between which there is a gap. Sections are vertically divided by horizontal partitions, the number of heat-insulating screens in sections and in each section may be different. The lower section is located under the heater and has vertically several rows of heat-insulating screens, and the number of screens in rows is different. In this case, the heat-insulating screens of all sections can be made in the form of telescopically mating cylinders, between which there are annular gaps filled with a gaseous medium. The number of heat-insulating screens in each of the sections can be in the range from 1 to 10, and the screens themselves can be made of graphite.
Данная установка работает по методу вертикальной направленной кристаллизации (методу Бриджмена). Из недостатков следует выделить невозможность (при высокотемпературной кристаллизации) наблюдать за положением фронта роста и соответственно влиять на него. Другим недостатком являются проблемы, связанные с механическим воздействием стенок тигля на монокристалл. Имеет место и чисто техническая проблема, связанная с извлечением монокристалла из тигля.This installation works by the method of vertical directional crystallization (Bridgman method). Among the shortcomings, it is necessary to single out the impossibility (during high-temperature crystallization) to observe the position of the growth front and, accordingly, influence it. Another disadvantage is the problems associated with the mechanical effect of the walls of the crucible on a single crystal. There is also a purely technical problem associated with the extraction of a single crystal from a crucible.
Процессы, протекающие во время роста кристалла при перемещении тигля с рабочим веществом, изменение теплофизических свойств рабочего вещества при переходе из жидкого состояния в твердое, выделение скрытой теплоты кристаллизации и др. приводят к изменениям температурного поля в рабочем объеме. Изменения температурного поля вызывают отклонения осевой скорости роста кристалла от номинальной скорости перемещения тигля, которые могут негативно повлиять на совершенство растущего кристалла. Кроме того, на качество выращивания кристалла оказывают влияние возникающие конвективные течения. Течения в расплаве могут как улучшать, так и ухудшать однородность распределения примеси в выращиваемом кристалле.The processes that occur during crystal growth during movement of the crucible with the working substance, a change in the thermophysical properties of the working substance during the transition from a liquid to a solid state, the release of latent heat of crystallization, etc. lead to changes in the temperature field in the working volume. Changes in the temperature field cause deviations of the axial crystal growth rate from the nominal crucible travel speed, which can negatively affect the perfection of the growing crystal. In addition, convective flows arising influence the crystal growth quality. The flows in the melt can both improve and worsen the uniformity of the distribution of impurities in the grown crystal.
Еще одним из недостатков устройства является то, что конструктивное выполнение установки направлено на получение низкоградиентной температурной области в зоне охлаждения кристаллов. Но оно довольно малоэффективно. Кроме того, выполнение установки является очень сложным.Another of the disadvantages of the device is that the structural design of the installation is aimed at obtaining a low-gradient temperature region in the cooling zone of the crystals. But it is quite ineffective. In addition, the installation is very difficult.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для получения монокристаллов тугоплавких фторидов (патент РФ №2608891), работающее по методу ГНК, содержащее вакуумную камеру с размещенным в ней тепловым узлом, состоящим из углеграфитовых теплоизолирующих модулей, верхнего и нижнего нагревателей и тепловых экранов, графитового контейнера с шихтой кристаллизуемого материала, установленного с возможностью перемещения в вакуумной камере, штуцеров подачи инертного газа и системы вакуумирования и/или откачки газообразных продуктов, смотрового окна, при этом верхний плоский ленточный нагреватель Г-образной формы и нижний ленточный нагреватель П-образной перевернутой формы выполнены в виде единых с шинами графитовых моноблоков, односторонне закрепленных с водоохлаждаемыми токовводами вакуумной камеры с помощью разъемного соединения.The closest in technical essence to the claimed is a device for producing single crystals of refractory fluorides (RF patent No. 2608891), operating by the SOC method, containing a vacuum chamber with a thermal unit located in it, consisting of carbon-graphite heat-insulating modules, upper and lower heaters and heat shields, a graphite container with a mixture of crystallizable material installed with the possibility of moving in a vacuum chamber, inert gas supply fittings and a vacuum and / or gas pumping system of different products, a viewing window, while the upper flat ribbon heater of the L-shaped form and the lower ribbon heater of the U-shaped inverted shape are made in the form of monoblock graphite monoblocks that are single with the tires and are unilaterally fixed to the water-cooled current leads of the vacuum chamber using a detachable connection.
Однако в описании устройства отсутствует подробная детализация элементов, образующих тепловой узел, который, в свою очередь, формирует тепловое поле в зонах роста и отжига выращиваемых кристаллов.However, in the description of the device there is no detailed detailing of the elements forming the thermal unit, which, in turn, forms a thermal field in the growth and annealing zones of the grown crystals.
Как правило, именно конструкция элементов теплового узла, их взаимное расположение определяют симметрию теплового поля на фронте роста кристалла и оптимальную температуру в зоне отжига, позволяющую избегать возникновения кристаллических деформаций на стадии послеростового остывания выращенного кристалла. Эти факторы играют принципиальную роль в получении кристаллов высокого оптического качества в плане минимизации возникновения дислокаций, блоков и трещин в растущем кристалле.As a rule, it is the design of the elements of the thermal unit, their mutual arrangement that determine the symmetry of the thermal field at the front of the crystal growth and the optimal temperature in the annealing zone, which avoids the occurrence of crystalline deformations at the stage of post-growth cooling of the grown crystal. These factors play a fundamental role in obtaining crystals of high optical quality in terms of minimizing the occurrence of dislocations, blocks, and cracks in the growing crystal.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении технологичности конструкции теплового узла, позволяющего варьировать величиной температурного градиента в зоне активного роста кристалла, приводящей к получению оптически однородного кристалла.The technical result of the invention is to improve the manufacturability of the design of the thermal unit, allowing you to vary the temperature gradient in the zone of active crystal growth, leading to the production of an optically homogeneous crystal.
Для достижения этого результата предложен тепловой узел установки для выращивания галоидных кристаллов методом горизонтальной направленной кристаллизации, состоящий из корпуса, внутри которого размещены центральный и отдельные углеграфитовые теплоизоляционные модули, графитового контейнера с набором тепловых экранов и рамой, установленного с возможностью горизонтального перемещения внутри теплоизоляционных модулей, верхнего нагревателя Г-образной формы и нижнего нагревателя перевернутой П-образной формы, расположенных внутри центрального теплоизоляционного модуля, смотрового окна, при этом центральный теплоизоляционный модуль выполнен сборно-разборным и состоит из внешнего графитового теплоизоляционного кожуха, внутри которого расположены диафрагмы, верхняя и нижняя секции внутренних графитовых тепловых экранов, а отдельные углеграфитовые теплоизоляционные модули выполнены в виде внутреннего графитового кожуха, окруженного внешними сборно-разборными графитовыми теплоизолирующими кассетами, каждая из которых состоит из сложенных друг над другом тепловых экранов, между которыми проложены проставки.To achieve this result, a thermal unit of a plant for growing halide crystals by horizontal directional crystallization is proposed, consisting of a housing inside which a central and separate carbon-graphite heat-insulating modules are placed, a graphite container with a set of heat shields and a frame installed with the possibility of horizontal movement inside the heat-insulating modules, the upper L-shaped heater and lower inverted U-shaped heater located inside the c a central heat-insulating module, a viewing window, while the central heat-insulating module is collapsible and consists of an external graphite heat-insulating casing, inside of which there are diaphragms, the upper and lower sections of the internal graphite heat shields, and individual carbon-graphite heat-insulating modules are made in the form of an internal graphite casing, surrounded by external collapsible graphite heat-insulating cassettes, each of which consists of heat stacked on top of each other screens between which spacers are laid.
Кроме того:Besides:
- количество отдельных углеграфитовых теплоизоляционных модулей составляет 4 шт.;- the number of individual carbon-graphite thermal insulation modules is 4 pcs .;
- внешние сборно-разборные графитовые теплоизолирующие кассеты каждого отдельного углеграфитового теплоизоляционного модуля включают тепловые экраны в количестве от 2 до 5 штук и толщиной от 8 до 20 мм из графита марки МПГ-6, или МПГ-7, или МПГ-8, или GS-1900 и проставки из графита марки SIGRABOND Standard или УККМ-2, образующие зазоры между тепловыми экранами от 2 до 5 мм;- external collapsible graphite heat-insulating cassettes of each individual carbon-graphite heat-insulating module include heat shields in an amount of 2 to 5 pieces and a thickness of 8 to 20 mm from graphite grade MPG-6, or MPG-7, or MPG-8, or GS- 1900 and graphite spacers of SIGRABOND Standard or UKKM-2 brand, forming gaps between thermal screens from 2 to 5 mm;
- диафрагмы выполнены из графита марки GS-1900 или SIGRABOND Standard, а тепловые экраны верхней и нижней секций внутренних графитовых тепловых экранов центрального теплоизоляционного модуля выполнены из графита марок: МПГ-6 или МПГ-7, МПГ-8 или из твердых войлоков марок: Sigratherm, или SGL, или ТУВ;- the diaphragms are made of graphite of the GS-1900 or SIGRABOND Standard brand, and the heat shields of the upper and lower sections of the inner graphite heat shields of the central heat-insulating module are made of graphite of the grades: MPG-6 or MPG-7, MPG-8 or of solid felt grades: Sigratherm , or SGL, or TUV;
- количество диафрагм и тепловых экранов в верхней и нижней секциях внутренних графитовых тепловых экранов центрального теплоизоляционного модуля составляет 1-4 шт.- the number of diaphragms and heat shields in the upper and lower sections of the inner graphite heat shields of the central heat-insulating module is 1-4 pcs.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность изобретения поясняется схемами и изображениями, представленными на фигурах 1-8.The invention is illustrated by diagrams and images shown in figures 1-8.
На фиг. 1 изображен общий вид теплового узла, выполненного, например, из четырех отдельных и одного центрального углеграфитовых теплоизоляционных модулей где:In FIG. 1 shows a general view of a thermal unit made, for example, of four separate and one central carbon-graphite thermal insulation modules where:
I, II, III, IV - отдельные углеграфитовые теплоизоляционные модули;I, II, III, IV - individual carbon-graphite heat-insulating modules;
V - центральный теплоизоляционный модуль;V - central thermal insulation module;
1 - водоохлаждаемый стальной корпус.1 - water-cooled steel casing.
На фиг. 2 и фиг. 3 показан центральный теплоизоляционный модуль (V), где:In FIG. 2 and FIG. 3 shows a central thermal insulation module (V), where:
2 - верхний нагреватель Г-образной формы;2 - upper heater of the L-shaped form;
3 - нижний нагреватель перевернутой П-образной формы;3 - lower heater inverted U-shaped;
4 - внешний графитовый теплоизоляционный кожух;4 - external graphite heat-insulating casing;
5 - верхняя секция внутренних графитовых тепловых экранов;5 - the upper section of the internal graphite thermal screens;
6 - нижняя секция внутренних графитовых тепловых экранов;6 - the lower section of the internal graphite thermal screens;
7 - диафрагмы;7 - aperture;
8 - смотровое окно;8 - viewing window;
9 - графитовый контейнер с набором тепловых экранов и рамой;9 - graphite container with a set of thermal screens and a frame;
10 - механизм горизонтального перемещения.10 - horizontal movement mechanism.
На фиг. 4 показана схема конструкции углеграфитовых теплоизоляционных модулей (I, II, III, IV), где:In FIG. 4 shows a design diagram of carbon-graphite thermal insulation modules (I, II, III, IV), where:
11 - внутренний графитовый кожух;11 - inner graphite casing;
12 - внешние сборно-разборные графитовые теплоизолирующие кассеты;12 - external collapsible graphite insulating cassettes;
13 - тепловые экраны;13 - thermal screens;
14 - проставки.14 - spacers.
На фиг. 5 показан график теплопроводности через многослойную стенку одного из углеграфитовых теплоизоляционных модулей (I, II, III, IV) в сечении А-А, где:In FIG. 5 shows a graph of thermal conductivity through the multilayer wall of one of the carbon-graphite heat-insulating modules (I, II, III, IV) in section AA, where:
15 - стенка внутреннего графитового кожуха 11;15 - wall of the inner graphite casing 11;
16 - стенка стального корпуса 1.16 - wall of the
На фиг. 6 показано распределение температурных полей (A-D) и градиентов по осевой линии от зоны плавления кристалла до зоны охлаждения, где:In FIG. Figure 6 shows the distribution of temperature fields (A-D) and gradients along the axial line from the melting zone of the crystal to the cooling zone, where:
А - температурное поле в центре нагревателей (2, 3) для осуществления плавления материала, последующей выдержки расплава для гомогенизации и фторирования;A - temperature field in the center of the heaters (2, 3) for the implementation of the melting of the material, subsequent exposure of the melt for homogenization and fluorination;
В - зона роста с возможностью установки осевого градиента температуры в широких пределах от 8°/см до 80°/см в районе фронта кристаллизации;B - a growth zone with the possibility of setting an axial temperature gradient over a wide range from 8 ° / cm to 80 ° / cm in the region of the crystallization front;
С - среднеградиентное тепловое поле (20-30°/м) на стадии начала охлаждения;C is the average gradient thermal field (20-30 ° / m) at the stage of cooling onset;
D - низкоградиентное тепловое поле (3-5°/м) на стадии отжига выращенного кристалла;D — low-gradient thermal field (3-5 ° / m) at the stage of annealing the grown crystal;
Р - расплав галоидного кристалла;P is a melt of a halide crystal;
ИФК - изотерма фронта кристаллизации.IFC - isotherm of the crystallization front.
На фиг. 7 показаны тепловые объемы, где:In FIG. 7 shows thermal volumes, where:
VI - внутренний теплоизоляционный объем;VI - internal heat-insulating volume;
VII - внешний теплоизоляционный объем;VII - external heat-insulating volume;
VIII - общий теплоизоляционный объем.VIII - total heat-insulating volume.
На фиг. 8 показана фотография установки для выращивания галоидных кристаллов методом горизонтальной направленной кристаллизации с присоединенным тепловым узлом предложенной конструкции.In FIG. 8 shows a photograph of a plant for growing halide crystals by the method of horizontal directional crystallization with an attached thermal unit of the proposed design.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Конструкция теплового узла состоит из центрального теплоизоляционного модуля V, четырех отдельных углеграфитовых теплоизоляционных модулей I, II, III, IV, графитового контейнера с набором тепловых экранов и рамой 9, механизма горизонтального перемещения 10 и водоохлаждаемого стального корпуса 1.The design of the heating unit consists of a central heat-insulating module V, four separate carbon-graphite heat-insulating modules I, II, III, IV, a graphite container with a set of heat shields and a
Каждый отдельный теплоизоляционный модуль I, II, III, IV (фиг. 4) включает разборный внутренний графитовый кожух 11, выполненный из графитовых пластин толщиной, например, 20 мм, который снизу, сверху и с боков окружен четырьмя вставляемыми сборно-разборными графитовыми теплоизолирующими кассетами 12. Сборно-разборные графитовые теплоизолирующие кассеты 12 состоят из съемных, расположенных друг над другом тепловых экранов 13, между которыми имеются проставки 14, образующие зазоры до 5 мм. Число тепловых экранов 13 в каждой сборно-разборной кассете 12 может варьироваться и находиться в количестве от 2 до 5 штук и толщиной от 8 до 20 мм.Each individual heat-insulating module I, II, III, IV (Fig. 4) includes a collapsible inner graphite casing 11 made of graphite plates, for example, 20 mm thick, which is surrounded by four plug-in collapsible graphite heat-insulating cassettes from below, from above and from the sides. 12. Collapsible graphite heat-insulating
Центральный теплоизоляционный модуль V (фиг. 2, 3) состоит из внешнего графитового теплоизоляционного кожуха 4, выполненного из графитовых плит толщиной в диапазоне от 12 мм до 30 мм. Внутри кожуха 4 друг над другом расположены верхняя 5 и нижняя 6 секции съемных внутренних графитовых тепловых экранов, между которыми имеются зазоры до 5 мм. Экраны могут выполняться как из экструзионных марок графита МПГ-6, или МПГ-7, или МПГ-8, так и из твердых войлоков типа Sigratherm, или SGL, или ТУВ в зависимости от необходимости создания нужного теплосбережения и симметрии тепловых полей в отдельных теплоизоляционных модулях.The central heat-insulating module V (Fig. 2, 3) consists of an external graphite heat-insulating casing 4 made of graphite plates with a thickness in the range from 12 mm to 30 mm. Inside the casing 4, one above the other, the upper 5 and lower 6 sections of removable internal graphite thermal screens are located, between which there are gaps up to 5 mm. Screens can be made both from extruded grades of graphite MPG-6, or MPG-7, or MPG-8, and from solid felts of the Sigratherm, or SGL, or TUV type, depending on the need to create the necessary heat saving and symmetry of thermal fields in separate thermal insulation modules .
Нижняя секция внутренних графитовых теплоизоляционных экранов 6 расположена под нижним нагревателем перевернутой П-образной формы 3 и имеет по вертикали до четырех горизонтальных тепловых экранов. Верхняя секция внутренних графитовых теплоизоляционных экранов 5 расположена над верхним нагревателем Г-образной формы 2 и имеет по вертикали до четырех горизонтальных тепловых экранов. Количество тепловых экранов в нижней 6 и верхней 5 секциях модуля может меняться в зависимости от марки получаемого кристалла. Например, для выращивания кристалла Li(YLu)F4 необходимо установить по 4 тепловых экрана из графита марки МПГ-6 в каждой секции.The lower section of the inner graphite heat-insulating shields 6 is located under the lower heater of an inverted U-shaped 3 and has a vertical to four horizontal heat shields. The upper section of the inner graphite heat-insulating shields 5 is located above the upper heater of the L-shaped
Верхний нагреватель Г-образной формы 2 и нижний нагреватель перевернутой П-образной формы 3, выполненные в виде целиковых моноблочных деталей, изготовленных из особо чистого (до 5 ppm) изостатического графита марки Ringsdorff R4550 немецкой фирмы SGL Carbon.The upper heater of the L-shaped
Для наблюдения за процессом выращивания галоидного кристалла предназначено смотровое окно 8.To observe the process of growing a halide crystal, a viewing window 8 is intended.
В процессе роста кристаллов материал как центрального V, так и отдельных теплоизоляционных модулей I, II, III, IV подвергается воздействию высоких температур до 1500-1700°C в некоторых случаях и больше, вследствие чего материал подвергается температурному расширению. Например, для графита марки МПГ-6 коэффициент температурного расширения при Т 1650 K=8,04×10-6 К-1, вследствие чего плита длиной 700 мм будет иметь расширения около 9,2 мм (ΔL=αLΔT). Учитывая это, элементы соединений теплоизоляционных модулей I, II, III, IV, V сделаны без применения жесткого крепежа (болты, винты и т.д.). Соединения модулей выполнены по принципу шип-паз, а имеющиеся в них зоны компенсации теплового расширения уплотнены мягким углеродным графитированным войлоком (например, МУВ-5 из ПАН волокна).In the process of crystal growth, the material of both the central V and individual heat-insulating modules I, II, III, IV is exposed to high temperatures up to 1500-1700 ° C in some cases and more, as a result of which the material undergoes thermal expansion. For example, for graphite grade MPG-6, the coefficient of thermal expansion at T 1650 K = 8.04 × 10 -6 K -1 , as a result of which a plate with a length of 700 mm will have an expansion of about 9.2 mm (ΔL = αLΔT). Given this, the elements of the joints of the thermal insulation modules I, II, III, IV, V are made without the use of hard fasteners (bolts, screws, etc.). The module connections are made according to the tenon-groove principle, and the zones of thermal expansion compensation in them are sealed with soft carbon graphite felt (for example, МУВ-5 made of PAN fiber).
Графитовый контейнер с набором тепловых экранов и рамой 9 изготовлен из плотного (до 1,9 г/см3) изостатического графита в форме лодочки. Он перемещается между верхней и нижней секциями нагревателей 2 и 3 с помощью механизма перемещения 10 в горизонтальной плоскости на графитовых роликах, вмонтированных в верхнюю панель нижней секции каждого из отдельных углеграфитовых теплоизоляционных модулей I, II, III, IV.A graphite container with a set of heat shields and a
Центральный V и отдельные углеграфитовые теплоизоляционные модули I, II, III, IV выполнены по принципу двух изолированных объемов. Внутренний теплоизоляционный объем VI составляет кожух 4, а внешний теплоизоляционный объем VII сборно-разборные графитовые теплоизолирующие кассеты 12, которые выполнены по принципу «сэндвич панелей» (см. фиг. 7), при этом материал тепловых экранов 13 и проставок 14 имеет разный коэффициент теплопроводности. Например, тепловые экраны 13 могут выполняться из графитов марок МПГ-6, или МПГ-7, или МПГ-8, или GS-1900, а проставки 14 - из графитов марок SIGRABOND Standard или УККМ-2. Разнородность и теплофизические свойства этих материалов позволят осуществить минимальную передачу тепла от нагретого углеграфитового теплоизоляционного модуля I, II, III, IV до стенки водоохлаждаемого стального корпуса 1, зависимость которого на примере штатного расположения тепловых экранов 13 из графита марки МПГ-6 в кассете 12 (4 шт.) представлена на фиг. 5.The central V and individual carbon-graphite thermal insulation modules I, II, III, IV are made according to the principle of two isolated volumes. The internal heat-insulating volume VI is the casing 4, and the external heat-insulating volume VII is collapsible graphite heat-insulating
Все четыре отдельных углеграфитовых теплоизоляционных модуля I, II, III, IV конструктивно плотно сопряжены между собой, образуя единую цельную конструкцию теплового узла, причем количество съемных тепловых экранов 13 в кассетах 12 каждого модуля может быть различным. Конструкция углеграфитовых теплоизоляционных модулей I, II, III, IV предусматривает минимальный контакт их графитовых частей и стального охлаждающего корпуса 1, что позволяет добиться минимального эффекта теплопередачи на корпус 1.All four separate carbon-graphite heat-insulating modules I, II, III, IV are structurally tightly interconnected, forming a single integral design of the heat unit, and the number of
Водоохлаждаемый стальной корпус 1 выполняет функцию изоляции центрального V и отдельных углеграфитовых теплоизоляционных модулей I, II, III, IV от внешней атмосферы. На фиг. 1 он изображен в виде внешней стальной односекционной оболочки, внутри которой циркулирует хладагент.Water-cooled
Размеры кожуха 4, верхней 5 и нижней 6 секций тепловых экранов 13 и диафрагм 7, а также количество тепловых экранов 13 в каждой из секций сборно-разборной кассеты 12 и диафрагм 7 являются определяющим фактором для создания температурного градиента внутри теплового узла.The dimensions of the casing 4, the upper 5 and lower 6 sections of the
Размеры всех элементов теплового узла и их количество определяется требованиями создания оптимальной по габаритам установки и оптимальными параметрами проведения процесса кристаллизации конкретного кристалла.The sizes of all elements of the thermal unit and their quantity are determined by the requirements for creating an optimal installation in terms of dimensions and optimal parameters for the crystallization process of a particular crystal.
Влияние конструкции отдельных углеграфитовых теплоизоляционных модулей I, II, III, IV на работу установки для выращивания галоидных кристаллов иллюстрирует фиг. 6, на которой показано создание температурного градиента при штатном количестве и расположении тепловых экранов 13 (4 шт.) и диафрагм 7 (4 шт.) опытной установки и распределение температур по тепловым зонам осевой линии, создающее:The influence of the design of individual carbon-graphite thermal insulation modules I, II, III, IV on the operation of the installation for growing halide crystals is illustrated in FIG. 6, which shows the creation of a temperature gradient with the standard number and location of the heat shields 13 (4 pcs.) And diaphragms 7 (4 pcs.) Of the experimental setup and the temperature distribution along the thermal zones of the axial line, creating:
А - температурное поле в центре нагревателей (2,3) для осуществления плавления материала, последующей выдержки расплава для гомогенизации и фторирования;A - temperature field in the center of the heaters (2,3) for the implementation of the melting of the material, subsequent exposure of the melt for homogenization and fluorination;
В - зону роста с возможностью установки осевого градиента температуры в широких пределах от 8°/см до 80°/см в районе фронта кристаллизации;B — a growth zone with the possibility of setting an axial temperature gradient over a wide range from 8 ° / cm to 80 ° / cm in the region of the crystallization front;
С - среднеградиентное тепловое поле (20-30°/см) на стадии начала охлаждения;C is the average gradient thermal field (20-30 ° / cm) at the stage of the onset of cooling;
D - низкоградиентное тепловое поле (3-5°/м) на стадии отжига выращенного кристалла;D — low-gradient thermal field (3-5 ° / m) at the stage of annealing the grown crystal;
Изменяя количество (от 2-х до 5-ти шт.) тепловых экранов 13 и заменяя материал, из которых они могут изготавливаться (графит марки МПГ-6, или МПГ-7, или МПГ-8, или GS-1900), а также варьируя материалом (графит марки GS-1900) и количеством диафрагм 7 (до 4-х шт.), формирующих изотерму фронта кристаллизации, можно варьировать величинами температурных градиентов в зонах роста и охлаждения в нужных диапазонах при выращивании конкретных галоидных кристаллов.By changing the number (from 2 to 5 pcs.) Of
Конструкция теплового узла является энергосберегающей и позволяет получать на нагревателях 5 и 6 температуру до 2400°C при малых энергозатратах до 15 кВт на каждом, при постоянном токе до 600 А и напряжении до 25 В.The design of the heating unit is energy-saving and allows to obtain temperatures up to 2400 ° C on heaters 5 and 6 at low energy consumption up to 15 kW each, with a direct current up to 600 A and voltage up to 25 V.
Выращивание фторидных и других галоидных кристаллов реализуется по методу горизонтально направленной кристаллизации, который заключается в следующем. В графитовый контейнер с набором тепловых экранов и рамой 9 загружают шихту или кристаллический бой (шихта на фиг. 1 не показана), а затем расплавляют ее путем перемещения контейнера 9 механизмом перемещения 10 через зону нагрева, образованную верхним 2 и нижним 3 нагревателями. В результате чего материал закристаллизовывается.The growth of fluoride and other halide crystals is realized by the method of horizontally directed crystallization, which is as follows. In a graphite container with a set of heat shields and a
Для получения строго ориентированного кристалла в контейнер 9 устанавливают затравку и визуально наблюдает как за моментом затравления, так и за формой фронта кристаллизации в процессе выращивания монокристалла через смотровое окно 8.In order to obtain a strictly oriented crystal, a seed is installed in the
Открытая поверхность расплава позволяет вводить в расплав активирующую примесь на любом этапе выращивания кристалла. Этот метод также позволяет проводить многократную перекристаллизацию вещества. Кроме того, имеется возможность выращивать кристаллы различных геометрических форм и осуществлять непрерывный процесс выращивания кристаллов путем направленного перемещения серии контейнеров 9 через зону кристаллизации. При реализации данного метода создается малоградиентное температурное поле, что обеспечивает выращивание ненапряженных кристаллов таких крупных размеров, которые другими способами получить практически невозможно.The open surface of the melt allows an activating impurity to be introduced into the melt at any stage of crystal growth. This method also allows multiple recrystallization of the substance. In addition, it is possible to grow crystals of various geometric shapes and to carry out a continuous process of growing crystals by directionally moving a series of
На фиг. 8 показана установка для выращивания галоидных кристаллов методом ГНК с тепловым узлом предложенной конструкции. Например, тепловой узел установки для выращивания галоидных кристаллов методом ГНК при использовании в конструкции отдельных углеграфитовых теплоизоляционных модулей I, II, III, IV с тепловыми экранами 13 из графита марки Sigratherm, проставок марки УККМ-2, диафрагм марки GS-1900 в количестве 4 шт., тепловых экранов марки МПГ-6 в нижней 6 и верхней 5 секциях центрального теплоизоляционного модуля V в количестве 4-х шт. в каждой из секций в условиях среднеградиентного поля (до 100/см) на фронте роста позволяет вырастить кристалл Li(YLu)F4 размером 50×80×20 мм.In FIG. 8 shows a plant for growing halide crystals by the method of SOC with a thermal node of the proposed design. For example, the thermal assembly of an installation for growing halide crystals by the SOC method when using separate carbon-graphite thermal insulation modules I, II, III, IV with
Приведенное в описании конструктивное выполнение теплового узла не охватывает все варианты его исполнения и зависит от характеристик выращиваемых кристаллов.The design embodiment of the thermal unit described in the description does not cover all variants of its execution and depends on the characteristics of the grown crystals.
Таким образом, предложенная конструкция теплового узла установки для выращивания галоидных кристаллов не только обеспечивает возможность избежать недостатки в процессе роста кристаллов, но и повышает оптическое качество и размеры выращиваемых кристаллов, приводит к значительному снижению энергозатрат, что является важным фактором при массовым выпуске кристаллов.Thus, the proposed design of the thermal unit of the installation for growing halide crystals not only provides the opportunity to avoid disadvantages in the process of crystal growth, but also increases the optical quality and size of the grown crystals, leads to a significant reduction in energy consumption, which is an important factor in the mass production of crystals.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017127968A RU2643980C1 (en) | 2017-08-04 | 2017-08-04 | Thermal node of installation for halogen crystals growing by horizontal unidirectional crystallization method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017127968A RU2643980C1 (en) | 2017-08-04 | 2017-08-04 | Thermal node of installation for halogen crystals growing by horizontal unidirectional crystallization method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2643980C1 true RU2643980C1 (en) | 2018-02-06 |
Family
ID=61173469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017127968A RU2643980C1 (en) | 2017-08-04 | 2017-08-04 | Thermal node of installation for halogen crystals growing by horizontal unidirectional crystallization method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2643980C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187518U1 (en) * | 2018-12-14 | 2019-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | GAS SUPPLY UNIT FOR INSTALLING FLUORIDE CRYSTALS BY HORIZONTALLY DIRECTED CRYSTALIZATION METHOD |
RU2762083C1 (en) * | 2021-02-01 | 2021-12-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for producing crystalline scintillator based on self-activated rare earth halide |
RU218695U1 (en) * | 2023-03-10 | 2023-06-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | A DEVICE FOR THE SYNTHESIS OF FLUORIDE SINGLE CRYSTALS IN THE FORM OF ROTATION BODIES BY THE METHOD OF HORIZONTALLY DIRECTIONAL CRYSTALLIZATION |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0137487B2 (en) * | 1985-08-27 | 1989-08-08 | Teijin Ltd | |
US6652649B1 (en) * | 1999-06-29 | 2003-11-25 | Act Optics & Engineering, Inc. | Supplemental heating unit for crystal growth furnace |
RU2608891C1 (en) * | 2016-03-03 | 2017-01-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Device for preparation of single crystals of high-melting fluorides |
-
2017
- 2017-08-04 RU RU2017127968A patent/RU2643980C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0137487B2 (en) * | 1985-08-27 | 1989-08-08 | Teijin Ltd | |
US6652649B1 (en) * | 1999-06-29 | 2003-11-25 | Act Optics & Engineering, Inc. | Supplemental heating unit for crystal growth furnace |
RU2608891C1 (en) * | 2016-03-03 | 2017-01-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Device for preparation of single crystals of high-melting fluorides |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187518U1 (en) * | 2018-12-14 | 2019-03-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | GAS SUPPLY UNIT FOR INSTALLING FLUORIDE CRYSTALS BY HORIZONTALLY DIRECTED CRYSTALIZATION METHOD |
RU2762083C1 (en) * | 2021-02-01 | 2021-12-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for producing crystalline scintillator based on self-activated rare earth halide |
RU218695U1 (en) * | 2023-03-10 | 2023-06-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | A DEVICE FOR THE SYNTHESIS OF FLUORIDE SINGLE CRYSTALS IN THE FORM OF ROTATION BODIES BY THE METHOD OF HORIZONTALLY DIRECTIONAL CRYSTALLIZATION |
RU221923U1 (en) * | 2023-06-07 | 2023-11-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | DEVICE FOR SYNTHESIS OF FLUORIDE SINGLE CRYSTALS IN THE FORM OF BODIES OF ROTATION BY THE METHOD OF HORIZONTALLY DIRECTED CRYSTALLIZATION |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2804505B2 (en) | Apparatus and method for growing large single crystals in plate / slab form | |
KR100861412B1 (en) | Manufacturing equipment for poly silicon ingot | |
RU2520472C2 (en) | Method and device for sapphire monocrystal growth | |
Ma et al. | Influence of an insulation partition on a seeded directional solidification process for quasi-single crystalline silicon ingot for high-efficiency solar cells | |
RU2643980C1 (en) | Thermal node of installation for halogen crystals growing by horizontal unidirectional crystallization method | |
CN102934239B (en) | The height of polycrystal silicon ingot used for solar batteries exports manufacturing equipment | |
Zhang et al. | Nucleation and bulk growth control for high efficiency silicon ingot casting | |
CN111088520A (en) | Sapphire single crystal growth device and method | |
KR20140044809A (en) | Apparatus and method for producing a multicrystalline material having large grain sizes | |
US9273411B2 (en) | Growth determination in the solidification of a crystalline material | |
RU2368710C1 (en) | Device for growing of volumetric rectangular monocrystals of sapphire | |
KR20110056635A (en) | Multi-crystal silicon ingot manufacture apparatus for production of solar cell | |
Lv et al. | Numerical simulation and experimental verification of vacuum directional solidification process for multicrystalline silicon | |
CN102787350B (en) | The apparatus and method of the long bismuth-germanium-oxide crystal of descent method for growing 500-1000mm | |
EP0536394A1 (en) | Method of producing polycrystalline silicon rods for semiconductors and thermal decomposition furnace therefor | |
CN209493651U (en) | Heater is used in a kind of processing of calcium fluoride mono crystal | |
CN103603032B (en) | Control the method for crystallization velocity in silicon ingot casting | |
CN102912416A (en) | Novel polycrystalline furnace heating device | |
US20150023866A1 (en) | Method and system of producing large oxide crystals from a melt | |
Lei et al. | Impact of silicon melt infiltration on the quality of cast crystalline silicon | |
Sundaramahalingam et al. | Simulation and experimental approach to investigate the annealing effect on mc-Si ingot grown by directional solidification process for PV application | |
RU2320791C1 (en) | Crystal growing method and apparatus for performing the same | |
CN103352248B (en) | Crystallization process of polycrystalline silicon and ingot casting process of polycrystalline silicon | |
RU2791643C1 (en) | Method for growing germanium or silicon single crystals and a device for its implementation | |
Taranyuk | Skull method—an alternative scintillation crystals growth technique for laboratory and industrial production |