Устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора
Владельцы патента RU 2637018:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) (RU)
Изобретение относится к скоростному росту кристаллов из раствора. Устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора содержит герметичный кристаллизатор 3, установленную внутри него ростовую камеру 1 прямоугольного сечения с затравочным кристаллом 2 и систему подачи раствора к кристаллу 2, включающую неперемещающийся насос 5 для подачи насыщенного раствора в зону роста кристалла 2 и расположенную над растущей поверхностью кристалла 2 пластину 6, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении и постепенного движения вверх по мере роста кристалла, имеющую ширину и длину меньше ширины и длины ростовой камеры 1, так что между пластиной 6 и стенками камеры 1 есть щели, соединенную с приводом 7 не менее чем одной штангой 8 изменяемой длины с узлом крепления 9 к пластине 6, позволяющим изменять угол между пластиной 6 и штангой 8. Возможно также выполнение пластины 6 с отверстиями для дополнительного прохода раствора. Техническим результатом является упрощение и облегчение конструкции устройства для выращивания профилированных кристаллов из раствора и улучшение условий для выращивания кристаллов в таком устройстве. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к скоростному росту кристаллов из раствора в прямоугольной ростовой камере (далее - камере) в кристаллизаторе.
Обычно кристаллы выращивают в условиях свободного роста в устройствах, оснащенных мощным механизмом крепления кристалла и вращения его в кристаллизаторе с большим объемом раствора. Подача раствора к растущим граням кристалла осуществляется путем вращения кристалла в растворе, при этом кристаллы имеют большой размер (до 400 мм) и значительный вес (до 150 кг). Выращивание кристаллов в таких устройствах требует больших временных затрат, поскольку скорость роста кристаллов низкая. Кроме того, в связи с наличием в выращиваемом кристалле областей напряжений в периферии и областей граней в центре для изготовления элементов высокого оптического качества пригодна лишь часть кристалла, составляющая не более одной трети от его диаметра. Таким образом, при вырезании оптических элементов из таких кристаллов получается большое количество отходов.
Известно устройство для выращивания высокоскоростным способом профилированных кристаллов из раствора заданной формы, близкой к форме требуемого оптического элемента для лазерной техники, которое описано в патенте РФ №1342056.
Устройство сдержит герметичный кристаллизатор, заполненный раствором. Внутри кристаллизатора установлена ростовая камера (далее - камера) с затравочным кристаллом и погружной насос, имеющий одно или несколько сопел, выходное отверстие которых выполнено в виде щели. Для получения кристаллов прямоугольной формы камера выполнена прямоугольного сечения, а насос установлен с возможностью качания в вертикальной плоскости, параллельной одной из сторон камеры. Длина щели сопла равна стороне камеры, перпендикулярной плоскости качания насоса. На крышке кристаллизатора установлен механизм перемещения насоса с приводом. Камера снабжена механизмом вертикального перемещения с приводом, который обеспечивает опускание камеры по мере роста грани кристалла, поддерживая заданное расстояние между гранью кристалла и выходного среза сопла. Подача питающего раствора производится через сопла, периодически перемещающиеся вдоль растущей грани кристалла в направлении, перпендикулярном щели сопла. Камеру устанавливают на высоте, обеспечивающей определенное расстояние от растущей грани кристалла до выходного среза сопла.
Недостатками прототипа являются: неравномерная подача раствора к поверхности кристалла, наличие на поверхности кристалла зон, на которые не производится подача раствора, необходимость использования громоздкой механической системы перемещения ростовой камеры и такой же громоздкой системы перемещения мощного погружного насоса, большая сложность изготовления погружного насоса.
Сопла погружного насоса, подающие раствор, периодически проходят над растущей гранью кристалла, соответственно в текущий момент времени подпитываются только те участки кристалла, над которыми проходят сопла насоса, остальные временно находятся без подпитки, т.е. значительное время к этим участкам растущей грани не производится подача раствора.
Для поддержания постоянного расстояния между соплами погружного насоса и растущей гранью кристалла необходимо перемещать ростовую камеру вниз. Ростовая камера с кристаллом обладает большим весом (до 50 кг), для ее перемещения требуется сложная дорогостоящая механическая система.
Насос, химически нейтральный по отношению к раствору и имеющий сложную форму, изготавливается из стекла. Он состоит из нескольких деталей: корпуса с соплами и спрямляющими поток раствора элементами внутри, турбины и вала, соединяющегося с мотором. Эта тяжелая и громоздкая конструкция приводится в движение приводом, обеспечивающим качание. Все вместе это также является громоздкой и дорогой в изготовлении системой.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении и облегчении конструкции устройства для выращивания профилированных кристаллов из раствора и улучшении условий для выращивания кристаллов в таком устройстве.
Технический эффект достигается тем, что устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора содержит герметичный кристаллизатор, установленную внутри него камеру роста с затравочным кристаллом и систему подачи раствора к кристаллу.
Новым является то, что система подачи включает неперемещающийся насос для подачи насыщенного раствора в зону роста кристалла и расположенную над растущей поверхностью кристалла пластину, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении и постепенного движения вверх по мере роста кристалла, имеющую ширину и длину меньше ширины и длины ростовой камеры, так что между пластиной и стенками камеры есть щели, соединенную с приводом не менее чем одной штангой изменяемой длины с узлом крепления к пластине, позволяющим изменять угол между пластиной и штангой.
В частном случае реализации изобретения по п. 2 новым является то, что пластина выполнена с отверстиями для дополнительного прохода раствора.
Фиг. 1 - одна из возможных схем реализации устройства.
Фиг. 2 - размещение пластины в форме, вид сверху.
Фиг. 3 - поперечный разрез А-А на фиг. 2.
Фиг. 4 - схема процесса подачи раствора к растущей грани кристалла.
Устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора содержит ростовую камеру 1 с затравочным кристаллом 2, которая статично расположена в кристаллизаторе 3, заполненном раствором 4. Система подачи раствора к затравочному кристаллу 2 состоит из изготовленных из материала, химически инертного к раствору 4, неперемещающающегося насоса 5 для подачи насыщенного раствора в зону роста затравочного кристалла 2 и расположенной над растущей гранью затравочного кристалла 2 пластины 6, выполненной с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении, имеющей ширину и длину меньше ширины и длины ростовой камеры 1, так что между пластиной 6 и стенками ростовой камеры 1 образуются щели, соединенной с приводом 7 не менее чем одной штангой 8 изменяемой длины с узлом крепления 9 штанги 8 к пластине 6, позволяющим изменять угол между пластиной 6 и штангой 8.
На фиг. 1 приведена одна из возможных схем реализации изобретения, в которой использованы две штанги 8. В зависимости от требуемых характеристик выращиваемого кристалла число штанг 8 с узлами креплениями 9 может быть различным. Остальные чертежи также являются иллюстрирующими материалами данного частного случая применения, но не ограничивает возможностей реализации предлагаемого изобретения в общем случае.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Пластина 6 совершает возвратно-поступательное движение вверх-вниз и постепенное движение вверх по мере роста кристалла 2. При этом через щели между пластиной 6 и стенками камеры 1, статично расположенной в кристаллизаторе 3, возникают потоки раствора переменного направления, обеспечивающие непрерывную подачу раствора 4 ко всей растущей грани кристалла 2.
Скорость потоков раствора 4 увеличивается при уменьшении щелей между пластиной 6 и стенками камеры 1, при увеличении амплитуды и частоты возвратно-поступательного движения пластины 6, при уменьшении расстояния между пластиной 6 и растущей поверхностью кристалла 2. При изменении положения пластины 6 относительно центра камеры 1, наклона пластины 6 в продольном и поперечном направлениях возможно изменение распределения потоков раствора 4 для улучшения условий роста кристалла 2 в конкретных случаях. Возможно изменение положения пластины 6 в течение одного периода возвратно-поступательного движения пластины 6. Подача насыщенного раствора к пластине 6 осуществляется при помощи насоса 5, расположенного выше камеры 1. Таким образом, заявленное устройство обеспечивает непрерывную подачу раствора 4 одновременно ко всей растущей грани кристалла 2, переменное направление потоков раствора 4, возможность изменения параметров потоков раствора 4 путем выбора размеров пластины 6, амплитуды и частоты возвратно-поступательного движения пластины 6, положения пластины 6 относительно стенок камеры 1 и растущей грани кристалла 2, что способствует улучшению условий для роста кристалла 2.
За счет того, что пластина 6 выполнена с возможностью постепенного ее перемещения вверх, отпадает необходимость перемещения самой камеры 2 и насоса 5 относительно кристаллизатора 3, что позволило в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, избавиться от громоздких механизмов перемещения камеры 1 и насоса 5, дало возможность уменьшить высоту кристаллизатора 3 и, соответственно, количество раствора 4, используемого в процессе роста кристалла 2.
В частном случае реализации устройства по п. 2 пластина 6 может быть выполнена с отверстиями, что дает дополнительные потоки раствора 4 к растущей грани кристалла 2. Так, на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 приведен частный случай реализации устройства по п. 2, в котором пластина выполнена с двумя симметричными относительно линии размещения двух штанг 8 щелевидными отверстиями 10. В общем случае форма отверстий может быть произвольной, и расположены они могут быть в произвольном порядке на поверхности пластины. Это зависит от требований к распределению потоков по грани кристалла.
1. Устройство для выращивания профилированных кристаллов из раствора, содержащее герметичный кристаллизатор, установленную внутри него ростовую камеру прямоугольного сечения с затравочным кристаллом и систему подачи раствора к кристаллу, отличающееся тем, что система подачи включает неперемещающийся насос для подачи насыщенного раствора в зону роста кристалла и расположенную над растущей поверхностью кристалла пластину, выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении и постепенного движения вверх по мере роста кристалла, имеющую ширину и длину меньше ширины и длины ростовой камеры, так что между пластиной и стенками камеры есть щели, соединенную с приводом не менее чем одной штангой изменяемой длины с узлом крепления к пластине, позволяющим изменять угол между пластиной и штангой.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластина выполнена с отверстиями для дополнительного прохода раствора.
