устройство для плавления и кристаллизации материалов

Формула изобретения

Устройство для плавления и кристаллизации материалов, содержащее корпус, узлы гашения колебаний, привод перемещения, подвижную каретку, нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения, магнитный индуктор, капсулу с исходным материалом и загрузочный люк, отличающееся тем, что корпус содержит каркас с установленными на нем приводом перемещения, узлами гашения колебаний, посредством которых каркас связан с корпусом, и капсулой с исходным материалом, при этом нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения и магнитный индуктор размещены на подвижной каретке, а магнитный индуктор выполнен из соленоидальной катушки продольного постоянного магнитного поля и трех катушек трехфазной системы вращающегося магнитного поля, причем катушки вращающегося магнитного поля размещены на полюсах шихтованного сердечника, разнесенных под углом 120^o в плоскости, ортогональной продольной оси индуктора, охваченных внешним кольцевым магнитопроводом, а соленоидальная катушка постоянного магнитного поля расположена по оси индуктора внутри системы вращающегося магнитного поля и охвачена сплошным сердечником, состоящим из магнитопровода в виде трубы, расположенного снаружи шихтованного сердечника катушек вращающегося магнитного поля и внешних торцевых накладок с отверстиями по продольной оси индуктора, вдоль которой помещена капсула с исходным материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к материаловедению, преимущественно к космической технологии, и позволяет проведение всесторонних экспериментов для получения с малой трудоемкостью высококачественного материала в условиях минимального воздействия микрогравитации.

Известна установка для изготовления монокристаллов (JP 62-070286, 31.03.1987, МКИ: С 30 В 15/22, 15/00, Н 01 L 21/18), в которой раствор исходных материалов в тигле, нагретом до высокой температуры, кристаллизуют и, обеспечивая постоянное выращивание кристалла, вытягивают из расплава. При этом установка содержит установленные за границами стенки тигля катушку для возбуждения постоянного магнитного поля и магнитный экран, обеспечивающий искривление магнитных линий магнитного поля практически до горизонтального направления по отношению к поверхности расплава.

Недостатком известного решения является проведение плавки только в постоянном магнитном поле.

Известен "Способ и устройство для изготовления монокристалла", JP 01-282184, 14.11.1989, МКИ: С 30 В 15/00, Н 01 L 21/208, где получают монокристалл в постоянном магнитном поле, действующем в горизонтальном и перпендикулярном направлении к вытягиванию кристалла.

Недостатком этого решения является ограничение технологических возможностей установки.

Наиболее близким аналогом к изобретению является установка для плавления и кристаллизации материалов, включающая корпус, узлы гашения колебаний, привод перемещения, подвижную каретку, нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения, магнитный индуктор, капсулу с исходным материалом, установленную в держателях, и загрузочный люк (SU 1397555, МКИ: С 30 В 15/00, 15/30, 23.05.1988).

Известное устройство позволяет осуществлять только один низкоградиентный технологический процесс вытягивания кристалла с получением материала невысокого качества.

Для достижения требуемого результата, т.е. проведения всесторонних экспериментов для получения с малой трудоемкостью высококачественного материала в условиях минимального воздействия микрогравитации, необходимо устранение отмеченных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем корпус, узлы гашения колебаний, привод перемещения, подвижную каретку, нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения, магнитный индуктор, капсулу с исходным материалом, установленную в держателях, и загрузочный люк, корпус содержит каркас с установленными на нем приводом перемещения, узлами гашения колебаний, посредством которых каркас связан с корпусом, и капсулой с исходным материалом, при этом нагревательный блок с нагревательными секциями, контур охлаждения и магнитный индуктор размещены на подвижной каретке, а магнитный индуктор выполнен из соленоидной катушки продольного постоянного магнитного поля, и трех катушек трехфазной системы вращающегося магнитного поля, причем катушки вращающегося магнитного поля размещены в полюсах шихтованного сердечника, разнесенных под углом 120^o в плоскости, ортогональной продольной оси индуктора, охваченных внешним кольцевым магнитопроводом, а соленоидальная катушка постоянного магнитного поля расположена по оси индуктора внутри системы вращающегося магнитного поля и охвачена сплошным сердечником, состоящим из магнитопровода в виде трубы, расположенного снаружи шихтованного сердечника катушек вращающегося магнитного поля, и внешних торцевых накладок с отверстиями но продольной оси индуктора, вдоль которой помещена капсула с исходным материалом.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез устройства; на фиг.2 - вид "А" фиг.1; на фиг.3 - сечение "Б-Б" фиг. 1 (только один магнитный индуктор); на фиг.4 - продольный разрез фиг.3; на фиг.5 - сечение поз. 14.

Устройство содержит корпус 1, каркас 2, связанный с корпусом 1 посредством узлов гашения колебаний 3, установленный на каркасе 2 привод перемещения 4, подвижную каретку 5, на которой размещены нагревательный блок 6 с нагревательными секциями 7, контур охлаждения 8, магнитный индуктор 9, капсулу с исходным материалом 10, установленную в держателях на каркасе 2, и загрузочный люк 11. Maгнитный индуктор 9 является сложносоставным и выполнен из соленоидальной катушки 12, создающей постоянное продольное магнитное поле, и трех катушек 13 трехфазной системы вращающегося магнитного поля. Катушки 13 размещены на полюсах шихтованного (многослойного) сердечника 14, выполненного из набора элементов тонколистовой электротехнической стали (для исключения влияния токов Фуко внутри сердечника), изготовленного, например, из стали 1513 ГОСТ3836-73. Катушки вращающегося магнитного поля разнесены под углом 120^o в плоскости, ортогональной продольной оси индуктора. Для замыкания магнитного потока катушки 13 охвачены внешним кольцевым магнитопроводом 15. Соленоидная катушка 12 продольного магнитного постоянного поля расположена по оси индуктора внутри системы вращающегося магнитного поля и охвачена сплошным сердечником, состоящим из магнитопровода 16 в виде трубы, расположенного снаружи шихтованного сердечника 14 катушек 13 вращающегося магнитного поля. С торцов, соленоидальная катушка 12 закрыта внешними торцевыми металлическими накладками 17, имеющими отверстия по продольной оси индуктора для установки капсулы с исходным материалом 10. Индуктор помещен в корпус, состоящий из внешней и внутренней оболочек, залитый компаундом и содержащий температурный компенсатор линейной деформации.

Даже в условиях полной невесомости в расплаве возникает термокапиллярная конвекция, которая во многом определяет состав и электрофизические свойства растущего кристалла. В частности, флуктуации температуры и концентрация примеси вблизи фронта кристаллизации, приводят к неоднородному распределению, что влияет на качество кристаллов. Постоянное магнитное поле (более 0,03 Тл) в значительной степени подавляет температурные и скоростные пульсации в расплаве. Это приводит к устранению примесных полос роста, т.к. возникает переход нестационарного, пульсационного течения при взаимодействии его с постоянным магнитным полем, в стационарное, ламинарное течение. С помощью постоянного магнитного поля можно управлять легирующими примесями в объеме кристалла.

Помимо этого, характер течения в жидкой фазе, если оно возникает, зависит от изменения вектора остаточных ускорений. Течение, в общем случае, медленное и трехмерное. Если вектор ускорений имеет поперечную составляющую и направление его не изменяется, мы имеем поперечную неоднородность состава кристалла. Чтобы исключить эти дефекты, можно использовать вращающееся, переменное магнитное поле. При этом необходимо создать вынужденную стационарную ламинарную конвекцию, на фоне которой действие остаточных ускорений не будет заметным. Изменяя величину магнитной индукции вращающегося магнитного поля (до 5 мТл в предлагаемой установке), можно изменять форму фронта кристаллизации.

Для более полного понимания процессов, происходящих при плавлении и кристаллизации материалов, и влияющих на эти процессы факторов, существует необходимость проведения всесторонних экспериментов, как в космосе, так и в земных условиях.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Выбирают технологический процесс плавки. Установка вакуумируется или заполняется нейтральным газом. Включают нагревательные секции 7 нагревательного блока 6. Включают привод перемещения 4 подвижной каретки 5, на которой размещены нагревательный блок 6, магнитный индуктор 9 и контур охлаждения 8. При этом включают магнитный индуктор 9, который создает постоянное или переменное магнитное поле, охватывающее капсулу с исходным материалом 10, которая остается неподвижной на каркасе 2. При перемещении температурного поля вдоль оси относительно капсулы 10, происходит плавка и перекристаллизация материала. Этот процесс протекает при воздействии на него постоянного или переменного магнитного поля.

Напряжение питания всей установки и магнитного индуктора - 27 В постоянного тока. Для получения вращающегося магнитного поля используют задающий частотный генератор, частота тока в фазе -50-400 Гц. Габариты магнитного индуктора в поперечном сечении - 380х290 мм. Катушки 12 и 13 наматывают проводом, например, ПЭТ-2 ГОСТ 2777-72. Но окончании плавки цикл может быть повторен с новыми технологическими параметрами.

Предлагаемое устройство позволяет без трудоемких операций в космосе по переналадке, разборке, переустановке и без прерывания технологического процесса, проводить всесторонние эксперименты с применением постоянного или переменного магнитного поля, воздействующего на расплав, и тем самым используя всесторонние факторы, влияющие на плавку и перекристаллизацию материала, получить материал более высокого качества.