Устройство для плавления и кристаллизации материалов

 

Предлагаемое устройство относится к материаловедению, преимущественно к космической технологии. Сущность изобретения: устройство для плавления и кристаллизации материалов содержит герметичный корпус, нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения, капсулу с исходным материалом, установленную в держателях, и загрузочный люк, в каркас в котором установлены привод перемещения, включающий ходовой винт с гайкой и мотор-редуктор, параллельные направляющие, на которых расположена подвижная каретка, на которой размещены нагревательный блок с нагревательными секциями, магнитный индуктор, контур охлаждения, электрический привод, снабженный, по крайней мере, одним штекерно-гнездовым разъемом, одна половина которого расположена на подвижной каретке, а вторая - на нагревательном блоке, и коническое соединение, наружная часть которого соединена с кареткой, а внутренняя - с нагревательным блоком, который выполнен с направляющими полозьями и установлен с возможностью перемещения в направляющих пазах каретки, при этом каркас соединен с корпусом посредством узлов гашения колебаний. Установка является универсальной, т.к. обеспечивает сменность нагревательных блоков, а значит и проведение различных технологических процессов плавки с высокотемпературными градиентами в условиях минимальных воздействий микрогравитации, что позволяет получать высококачественные материалы широкого спектра. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к материаловедению, преимущественно к космической технологии в условиях минимального воздействия микрогравитации.

Известно устройство для выращивания монокристаллов из расплава (патент РФ 2039852 от 11.11.91 г. , МКИ: С 30 В 11/00), содержащее камеру роста, размещенный в ней нагреватель и контейнер с держателем, и привод перемещения контейнера, который перемещает контейнер в прорези Ω-образного нагревателя.

Однако требуемого результата невозможно достичь из-за отсутствия возможности создания в образце материала участков с постоянной по всей длине участка температурой (фоновых участков), отсутствия системы охлаждения, позволяющей создать в образце достаточно высокие температурные градиенты, например, для качественной обработки CdTe, а также отсутствие возможности получения материалов разными технологическими способами (только зонная перекристаллизация).

Известно устройство для получения материалов (заявка РФ 93030659/26 от 15.06.93 г. , МКИ: С 30 В 13/00), принятое за ближайший аналог, содержащее корпус, контур охлаждения, нагревательный блок, состоящий из набора нагревательных элемешов, ампулу с исходным материалом, размещенную в держателях. Нагревательный блок снабжен рамой, установленной в направляющих, выполненных на фланцах нагревательного блока, в которых соосно с ампулой установлены стаканы с направляющими конусами. Известное устройство позволяет осуществлять только один низкоградиентный технологический процесс плавки с получением материала невысокого качества.

Для достижения требуемого результата, т.е. получения высококачественного материала, необходимо устранение отмеченных недостатков и создание универсальной установки, которая позволяла бы проводить плавку несколькими технологическими способами, с разными заданными температурными градиентами в условиях минимального воздействия микрогравитации.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство для плавления и кристаллизации материалов, содержащее герметичный корпус, нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения, капсулу с исходным материалом, установленную в держателях и загрузочный люк, снабжено каркасом, в котором установлены привод перемещения, включающий ходовой винт с гайкой и мотор-редуктор, параллельные направляющие, на которых расположена подвижная каретка, на которой размещены нагревательный блок с нагревательными секциями, магнитный индуктор, контур охлаждения, электрический подвод, снабженный, по крайней мере, одним штекерно-гнездовым разъемом, одна половина которого расположена на подвижной каретке, а вторая - на нагревательном блоке, и коническое соединение, наружная часть которого соединена с кареткой, а внутренняя - с нагревательным блоком, который выполнен с направляющими полозьями и установлен с возможностью перемещения в направляющих пазах каретки, при этом каркас соединен с корпусом посредством узлов гашения колебаний.

Кроме того, один из держателей капсулы с исходным материалом подпружинен, а другой выполнен в виде втулки с регулируемым стержнем, при этом втулка связана с поворотными коромыслами, установленными на каркасе.

Ходовой винт перемещения каретки расположен в одной плоскости с параллельными направляющими посередине между ними.

Подвижная каретка установлена на параллельных направляющих с возможностью качения по ним.

Ходовой винт перемещения каретки связан со световым герметичным счетчиком числа оборотов, установленным на каркасе.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, на которых: на фиг.1 изображен продольный разрез устройства; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б фиг.1; на фиг.4 -вид В фиг.1; на фиг.5 - вид Г фиг.1; на фиг.6 - сечение Д-Д фиг.1; на фиг.7 - сечение Е-Е фиг.1; на фиг.8 - место I фиг.4.

Устройство содержит герметичный корпус 1 с установленным в нем каркасом 2, который соединен с корпусом 1 посредством узлов гашения колебаний 3. На каркасе 2 размещен привод 4 перемещения, включающий ходовой винт 5 с гайкой 6, мотор-редуктор 7 и параллельные направляющие 8, на которых расположена подвижная каретка 9. На подвижной каретке 9 размещен нагревательный блок 10 с нагревательными секциями 11, магнитный индуктор 12, контур охлаждения 13, электрический подвод 14. По продольной оси нагревательного блока 10 на каркасе 2 размещена капсула 15 с исходным материалом, установленная в держателях 16. Герметичный корпус 1 содержит также загрузочный люк 17. Подвижная каретка 9 содержит, по крайней мере, один штекерно-гнездовой разъем 18, одна половина которого расположена на подвижной каретке 9, а вторая - на нагревательном блоке 10. Кроме того, подвижная каретка 9 снабжена коническим соединением 19, наружная часть которого соединена с подвижной кареткой 9, а внутренняя - с нагревательным блоком 10. Сам нагревательный блок 10 выполнен с направляющими полозьями 20, которые могут перемещаться в направляющих пазах 21 подвижной каретки 9. Штекерно-гнездовой разъем 18 и коническое соединение 19 позволяют заменять один нагревательный блок 10 на другой, с другим набором нагревательных секций 11. В этом случае электрический подвод 14 размыкают с одним нагревательным блоком 10 и замыкают с другим при помощи хотя бы одного штекерно-гнездового разъема 18. Разьединение контура охлаждения 13 при замене нагревательного блока 10 на другой осуществляют при помощи конического соединения 19. Наружная часть конического соединения 19 соединена с цилиндрической двойной обечайкой 22 подвижной каретки 9. Внутри обечайки 22 расположен трубопровод 23, по которому протекает охлаждающая жидкость и который соединен гибким трубопроводом с емкостью, содержащей охлаждающую жидкость и насосом подачи этой жидкости к трубопроводу 23. Вся эта цепь элементов составляет контур охлаждения 13. Емкость и насос расположены снаружи установки (на фиг.не показаны). Внутренняя часть конического соединения 19 (холодильник) связана с одной из нагревательных секций 11. За счет разницы температур соседних нагревательных секций и секции с холодильником обеспечивается высокий температурный градиент. Смена нагревательных блоков происходит в крайнем правом положении каретки 9 при открытом загрузочном люке 17. Чтобы осуществить смену нагревательных блоков необходимо втулку 24 с регулируемым стержнем правого держателя 16 отвести при помощи поворотных коромысел 25 в сторону, освобождая при этом проход нагревательного блока 10. Смена нагревательных блоков 10 необходима для проведения качественной плавки различными технологическими способами (объемной, зонной, направленной кристаллизацией и "бегущей волной"). Кроме того, замена одного нагревательного блока другим позволяет быстро производить ремонтные работы в условиях космического полета, производить упрощенную смену одного технологического процесса другим (с разным расположением и количеством нагревательных и "холодильных" секций" 11) и производить замену одной капсулы 15 с исходным материалом на другую, с другим исходным материалом и другой длины.

Для осуществления разных технологических процессов плавки магнитное поле магнитного индуктора 12 охватывает ту область нагревательного блока 10, где происходит технологический процесс плавки. Магнитный индуктор 12 в технологическом процессе, где не требуется магнитное поле, может быть отключен.

Для контроля местонахождения подвижной каретки 9 ходовой винт 5 связан со световым герметичным счетчиком 26 числа оборотов, который соединен световодами с электронной аппаратурой контроля и управления устройством (не показана). Герметичность счетчика 26 позволяет использовать фотоэлементы, чего нельзя было бы сделать при их установке в корпусе 1 устройства, т.к. при длительной работе в вакууме металлоконструкция "газит" и фотоэлементы могли бы "запылиться" парами металла.

Для обеспечения высокой температуры плавки (2000^oС) теплоизоляция и нагревательные элементы выполнены из композиционного углерод-углеродного материала.

Для обеспечения комфортных условий плавки (уменьшение вибрации от трения скольжения) помимо четырех установленных узлов гашения колебаний 3 при перемещении подвижной каретки 9 по параллельным направляющим 8 используется трение качения вместо трения скольжения. Кроме этого, ходовой винт 5 расположен посередине между параллельными направляющими 8 и в одной плоскости с ними, что исключает возникновение изгибающих моментов при перемещении подвижной каретки 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В подвижную каретку 9 вставляют тот сменный нагревательный опок 10, который обеспечивает проведение заданного технологического процесса плавки. При этом замыкают электроподводку нагревательного блока при помощи штекерно-гнездовых разъемов 18. После этого устанавливают капсулу 15 с исходным материалом в держателях 16 и втулке 24 с регулируемым стержнем, которую фиксируют по оси нагревательного блока 10 и капсулы 15 с помощью поворотных коромысел 25. Нагревательный блок 10 при этом своей внутренней частью конического соединения 19 садится в его ответную наружную часть, соединенную с подвижной кареткой 9, при этом направляющие полозья 20 нагревательного блока 10 входят в направляющие пазы 21 подвижной каретки 9. Затем расфиксируют заневоленные узлы гашения колебаний 3 (в транспортном положении узлы зафиксированы), закрывают загрузочный люк 17 и откачивают воздух из герметичного корпуса 1. При необходимости герметичный корпус 1 заполняют инертным газом. После этого происходит нагрев нагревательных секций 11 до заданной по технологическому процессу температуры. Необходимый градиент температур создается на стыке нагревательной и "холодильной" секции при включенном контуре охлаждения 13, с помощью которого отводят тепло от "холодильной" секции. При проведении другого эксперимента контур охлаждения 13 может быть отключен. Работа магнитного индуктора 12 также определяется заданным технологическим процессом. Затем включают привод 4 перемещения подвижной каретки 9 с нагревательным блоком 10 для выполнения технологического процесса плавки, после завершения которого открывают загрузочный люк 17, отводят в сторону при помощи поворотных коромысел 25 втулку 24 с регулируемым стержнем и производят замену капсулы 15 с исходным материалом на следующую, или замену всего нагревательного блока 10, в зависимости от целей последующего технологического процесса плавки.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает получение высококачественного материала широкого спектра, благодаря универсальности устройства, за счет проведения различных высокоградиентных технологических процессов, уменьшения воздействия вибраций на рост кристалла и обеспечения быстрой смены нагревательных блоков с различным набором нагревательных и "холодильных" секций.

Формула изобретения

1. Устройство для плавления и кристаллизации материалов, содержащее герметичный корпус, нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения, капсулу с исходным материалом, установленную в держателях и загрузочный люк, отличающееся тем, что оно снабжено каркасом, в котором установлены привод перемещения, включающий ходовой винт с гайкой и мотор-редуктор, параллельные направляющие, на которых расположена подвижная каретка, на которой размещены нагревательный блок с нагревательными секциями, магнитный индуктор, контур охлаждения, электрический подвод, снабженный, по крайней мере, одним штекерно-гнездовым разъемом, одна половина которого расположена на подвижной каретке, а вторая - на нагревательном блоке, и коническое соединение, наружная часть которого соединена с кареткой, а внутренняя - с нагревательным блоком, который выполнен с направляющими полозьями и установлен с возможностью перемещения в направляющих пазах каретки, при этом каркас соединен с корпусом посредством узлов гашения колебаний.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что один из держателей капсулы с исходным материалом подпружинен, а другой выполнен в виде втулки с регулируемым стержнем, при этом втулка связана с поворотными коромыслами, установленными на каркасе.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ходовой винт перемещения каретки расположен в одной плоскости с параллельными направляющими посередине между ними.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подвижная каретка установлена на параллельных направляющих с возможностью качения по ним.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ходовой винт перемещения каретки связан со световым герметичным счетчиком числа оборотов, установленным на каркасе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8