КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 315-319
РОСТ ^^^^^^^^^^^^^^ КРИСТАЛЛОВ
УДК 548.5
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ KDP1
© 2004 г. В. И. Сало, А. П. Воронов, М. И. Колыбаева, И. М. Притула, В. Ф. Ткаченко, В. М. Пузиков
НТК "Институт монокристаллов" НАН Украины, Харьков E-mail: salo@isc.kharkov.com Поступила в редакцию 03.03.2003 г.
Проведено трехмерное моделирование и исследованы факторы, определяющие гидродинамические условия эффективного массопереноса при выращивании крупногабаритных (сечением до 45 х 45 см2) кристаллов KDP из растворов в реальном кристаллизаторе емкостью 300 л. Реализованы условия движения пересыщенного раствора к растущей поверхности кристалла в направлении, противоположном гравитации. Разработанный режим выращивания позволил увеличить в 5 раз скорость роста крупногабаритных кристаллов KDP с сохранением их высокого оптического качества.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что гидродинамика среды, окружающей растущий кристалл, имеет влияние на процессы роста. Однако зачастую не учитывается то, что гидродинамические условия могут оказаться доминирующим фактором в контролировании процессов роста. Изменив гидродинамические условия, оставив все другие параметры неизменными, можно вызвать коренные изменения в скорости роста, качестве кристалла, конечном размере, до которого кристалл может вырасти [1-5 ].
Принимая во внимание взаимосвязь процессов тепло- и массопереноса с движением раствора, особый интерес представляет изучение кинетики раствора в зоне, прилегающей к фронту кристаллизации, и взаимодействие этой части раствора с основной массой.
Сравнение влияния диффузии, конвекции и принудительного перемешивания на толщину пограничного слоя и на максимальную линейную скорость роста кристалла V показало [1, 4], что в случае диффузионного механизма перемешивания средняя скорость движения частиц раствора у поверхности растущего кристалла составляет Я = 5 х 10-5 см/с, при этом V = (0.5-3) х 10-8 см/с. В условиях тепловой конвекции при скорости движения раствора Я = 4 х 10-2 см/с максимальная линейная скорость роста V = (20 - 80) х 108 см/с. В это же время при принудительном перемешивании можно создать такие условия, при которых частицы раствора у поверхности кристалла могут двигаться со скоростью Я = 1-100 см/с, при этом V = (100-5000) х 108 см/с.
1 Работа была представлена на Национальной конференции
по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
Цель настоящей работы - развитие понимания кинетики течения жидкости и переноса материала в реальном кристаллизаторе для выращивания крупномасштабных кристаллов типа КБР.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Предметом исследования являлась кинетика потоков жидкости при выращивания крупногабаритных кристаллов дигидрофосфата калия (КБР) и дидейтерофосфата калия (БКБР) сечением 45 х 45 см2. Выращивание кристаллов указанных размеров осуществлялось при постоянной температуре методом рециркуляции растворителя в кристаллизаторе, схема которого представлена на рис. 1 Суть данного метода выращивания крупногабаритных кристаллов состоит в следующем. Пересыщение, необходимое для роста кристалла, создается в камере роста за счет испарения растворителя, а постоянство и величина пересыщения обеспечиваются регулированием скорости испарения, сбором конденсата, растворением конденсатом дополнительного количества исходного сырья в камере подпитки и возвращением пересыщенного раствора в камеру роста.
Изучение влияния гидродинамики проведено с помощью моделирования потоков тепло- и массопереноса в условиях возникновения вынужденной конвекции за счет вращения кристалла, укрепленного на плоском кристаллодержателе, и дополнительных мешалок. Моделирование было трехмерным. В качестве модельной жидкости использовалась вода, параметры которой (вязкость, плотность, теплопроводность и др.) существенно не отличались от параметров реальных растворов.В качестве трассеров, которые визуа-
10 2
1 7
3
Рис. 1. Схема кристаллизатора:
1 - кристаллодержатель с приводом вращения, 2 -кристалл, 3 - камера роста, 4 - трубка для переливания раствора, 5 - термостат, 6 - камера подпитки, 7 - зонт, 8 - крышка холодильника, 9 - мешалка, 10 -термометр.
ю, об/мин 2010
20
40
60
\г, с
10
20
Рис. 2. Типичный режим вращения кристаллов с постоянной скоростью.
лизировали потоки модельной жидкости, использовали КМп04 или цветной гранулированный полиэтилен, который находился в растворе во взвешенном состоянии. Дополнительные стержневые мешалки, используемые в экспериментах для улучшения условий перемешивания, имели в сечении квадрат или аэродинамическую форму.
Изучаемые гидродинамические условия соответствовали процессам, возникающим в реальном кристаллизаторе емкостью 300 л, диаметром 65 и высотой 90 см. Из многообразия форм, которые вызывают движение раствора, выбор способа перемешивания был обусловлен тем, что наилучшие гидродинамические условия массо- и теп-лопереноса следовало ожидать в случае, если вращается кристалл, а вращательное движение основной массы раствора отсутствует. В таких условиях циркуляция раствора будет происходить по всему объему и не локализоваться в зоне, прилегающей к кристаллу. Кроме того, вращение
кристалла обусловливает поток жидкости по направлению к нему. Если перемешивание раствора осуществляется за счет вращения ростовой камеры, плоской мешалки, расположенной у дна, или платформы, на которой установлен крупногабаритный кристалл, под растущим кристаллом образуется поток, направленный от кристалла. В связи с тем, что в реальном кристаллизаторе вблизи дна расположены отверстия, через которые осуществляется подпитка, в наших экспериментах реализовались условия движения вверх пересыщенного раствора к растущей поверхности кристалла в направлении, противоположном гравитации.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Моделирование условий перемешивания растворов проводили, используя макет кристалла КБР в натуральную величину, при этом размеры кристалла были соизмеримы с размерами кристаллизатора. Диагональ кристалла составляла до 63 см при внутреннем диаметре камеры роста 65 см. Использование вращения с постоянной скоростью ю > 25 об/мин вызывало турбулентные потоки, возникновение довольно высоких волн на поверхности жидкости и ее выплескивание из камеры роста во время остановки или начала вращения в противоположную сторону. В связи с этим при проведении экспериментов выбрана скорость вращения ю = 20 об/мин.
Исследовалось три режима перемешивания: реверсивное вращение кристалла с постоянной скоростью, реверсивное вращение кристалла с постоянной скоростью с применением дополнительных стержневых мешалок, ускоренно-замедленное реверсивное вращение кристалла с применением дополнительных мешалок, имеющих аэродинамическую форму.
Для получения более полной информации о влиянии скорости реверсивного вращения кристалла на условия перемешивания исследовано движение потоков модельной жидкости внутри камеры роста при скоростях ю = 5, 8, 10, 15, 20 об/мин с остановкой и без нее. На рис. 2 представлен режим такого вращения.
При ю = 5 об/мин происходит слабое движение жидкости, перемешивается лишь область, непосредственно прилегающая к кристаллу. Движение происходит только по кругу, потоков жидкости к растущему кристаллу снизу не наблюдается. Состояние жидкости в объеме кристаллизатора слабо отличается от состояния, когда кристалл не вращается.
В случае вращения кристалла ю = 10 об/мин происходит закручивание слоев жидкости. Самая большая скорость движения модельной жидкости в плоскости вращения пирамидальных секторов
8
9
6
5
ГЭ
Рис. 3. Картина потоков жидкости в камере роста при вращении кристалла с постоянной скоростью 10 об/мин.
Рис. 4. Картина течения жидкости над кристаллодер-жателем, имеющим плоскую форму.
кристалла, здесь жидкость достигает максимальной скорости и движется от кристалла к боковым стенкам камеры роста в плоскости, перпендикулярной оси вращения (рис. 3). Выше и ниже этой области жидкость только начинает вовлекаться в движение. Это хорошо видно по искривленным полосам. Через некоторое время, когда движущиеся потоки достигают боковых стенок камеры роста, они продолжают перемещаться вдоль них. Эти потоки начинают закручиваться по направлению к оси вращения. Таким образом, в результате вращения кристалла создаются тороидальные области с результирующим винтовым движением внутри них. Движение потоков жидкости внутри тороидальных областей существенно интенсивнее по сравнению с движением потоков жидкости в других областях. Жидкость выше и ниже тороидальных областей слабо перемешивается, особенно это относится к придонной области. В самом начале цикла вращения кристалла образуются потоки, идущие со дна камеры, но через 15 с после начала вращения с появлением вращающейся тороидальной области потоки со дна камеры исчезают и вся жидкость вращается по кругу. Частички индикатора выстраиваются по кругу на дне камеры, фиксируя эту картину.
При вращении кристалла с ю = 15-20 об/мин картина движения потоков жидкости идентична картинам, рассмотренным ранее. Отличие состоит в более интенсивном движении потоков жидкости внутри тороидальных областей и большей скорости вращения всей жидкости как единого целого.
При использовании режима перемешивания жидкости с применением дополнительных стерж-
невых мешалок картина движения потоков модельной жидкости идентична случаям, рассмотренным выше. Отличие состоит в том, что удается увеличить глубину проникновения вращающейся тороидальной области до дна камеры роста. Кроме того, сокращается время появления вращающейся тороидальной области и вовлечения всего объема жидкости во вращение до 10 с . Обнаружено также, что для полной остановки всего вращающегося объема жидкости требуется не менее 180 с. При меньшей длительности паузы покоя (двигатель, приводящий во вращение кристалл, не работает) при начале вращения в противоположную сторону нарушается симметрия движения потоков, почти весь полупериод вращения кристалла тратится на остановку всего объема жидкости, вращающейся в противоположную сторону, и вовлечения ее в дви
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.