КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2008, том 53, № 2, с. 364-369
РОСТ КРИСТАЛЛОВ
УДК 548.52:534.26
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ И РОСТА СОЛЕВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ В НЕОДНОРОДНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЯХ. I. СТОЯЧАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ ВОЛНА
© 2008 г. В. П. Ершов, Д. А. Касьянов*, В. И. Родченков, Д. А. Сергеев
Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород E-mail: rvi47@mail.ru *Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород
E-mail: kasd@nirfi.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 12.12.2006 г.
Исследован процесс роста выделенной грани (100) кристалла KDP в условиях воздействия на фазовую границу полем начального ультразвука и стоячей акустической волны. Зафиксирован значительный ростовой отклик исследуемой грани, нормально озвучиваемой по акустической оси в ближней зоне поршневого полуволнового вибратора f = 20 КГц, а также тангенциально в импульсном двухчастотном (f = 600 и 900 КГц) режиме стоячей волны. Показано различие механизмов интенсификации массообмена в этих акустических ситуациях. Полученные результаты показывают принципиальную возможность управления процессами роста и растворения кристаллов варьированием параметрами неоднородного акустического поля.
PACS: 81.10.Dn, 43.35.Zc
ВВЕДЕНИЕ
В современной практике скоростного роста монокристаллов для широкоапертурных параметрических преобразователей лазерного излучения большие водорастворимые кристаллы выращиваются как в естественной огранке [1], так и по выделенному кристаллографическому направлению [2]. Для обеспечения устойчивого ростового процесса ограненный кристалл реверсивно вращается, а выделенная растущая грань омывается струей раствора, создаваемой качающейся пропеллерной мешалкой. Этим достигается необходимая гидродинамическая обстановка на растущих поверхностях и, соответственно, равномерная доставка к ним ростового материала. Целевые нелинейно-оптические свойства монокристаллов являются при-месно чувствительными [3, 4], что обуславливает необходимость длительного поддержания в особо чистом состоянии больших объемов пересыщенного ростового раствора. В настоящее время лазерная техника требует улучшения качества монокристаллов, и в первую очередь, по примесно чувствительным параметрам (коэффициент полезного действия преобразования излучения, линейное поглощение, структурное совершенство, рассеивающие центры, порог пробоя), для чего необходимо повышение чистоты ростовой среды. В имеющейся аппаратуре, содержащей гидромеханические элементы, погруженные в химически агрессивный раствор, это затруднительно. Имеет место примесный аппаратурный фон (молекуляр-
ное загрязнение конструкционным материалом, микродиспергирование подвижных элементов). Для повышения чистоты ростовой среды техническую систему процесса необходимо перестроить. Идея такой модификации следующая. Целевой объект (растущий кристалл, выделенную грань) изолировать стенками из химически стерильного звукопрозрачного материала. Пересыщение создавать только в этой изолированной ростовой зоне, объем которой минимален, и подавать туда протоком необходимое количество раствора, прошедшего через систему глубокой очистки. Нужную же гидродинамическую обстановку на растущей кристаллической поверхности создать акустическими средствами. Решение этой задачи даст возможность предельно уменьшить объем аппаратуры и организовать химически стерильный и изотермический процесс скоростного роста, в котором пересыщение раствора поддерживается только в зоне роста кристалла.
Исследования влияния упругих колебаний на различного рода гетерогенные процессы ведутся достаточно давно. Основное направление исследований связано с изучением воздействия мощными акустическими полями на различные технологические процессы. Систематических исследований по воздействию упругих полей на процессы роста и растворения кристаллов (и поликристаллов) не проводилось. Известны работы, в которых показано, что низкочастотные вибрации, накладываемые на кристалл, могут на 50-70% уве-
личивать скорость роста [5, 6]. По всей видимости, такой вариант воздействия применим только для небольших кристаллов. Имеются отдельные сообщения по воздействию мощными полями начального ультразвука (УЗ) на процессы растворения солей, например [7]. Однако данные работы чаще всего останавливались на уровне фиксации эффекта ускорения растворения солей в поле упругих колебаний и не доходили до стадии исследований эффекта как такового и определения оптимальных условий проявления этого эффекта. Все известные сведения о влиянии ближнего УЗ и высокочастотных акустических полей на рост монокристаллов обобщены в монографии [8]. Они немногочисленны и достаточно противоречивы. Описываются эксперименты, в которых наблюдается как ускорение, так и замедление роста озвучиваемых монокристаллов. Во всех работах, связанных с попытками воздействия УЗ на рост и растворение кристаллов, не установлена связь наблюдаемых эффектов с параметрами действующего поля; не было рассмотрено механизма, ответственного за ускорение массообмена на границе раздела фаз.
На гетерогенной границе, если она находится в неоднородном акустическом поле, всегда возникают акустические течения [9, 10]. Это пограничные микропотоки Шлихтинга и сопутствующее течение Релея. Кроме того, в свободном пространстве флюидной фазы может возникнуть обтекающий твердую поверхность внешний поток Эккарта. Под действием этих течений можно ожидать ускорения массообмена на границе кристалл-раствор. Масштаб и динамика акустических течений определяются соответственно геометрическими и энергетическими параметрами поля [9, 10]. Поэтому для целенаправленного акустического воздействия на процессы роста и растворения кристаллов необходимо определить соотношения масштабов исследуемых кристаллов и пространственных неоднородностей поля, оптимальные частотные режимы, а также пороговые и предельные интенсивности. Естественно предположить, что механизмы воздействия акустического поля как на рост, так и на растворение кристаллов во многом схожи. Массоперенос в том и другом случае связан с распределением на твердой границе микропотоков, масштабы которых определяются пространственно-временными характеристиками акустического поля. Поэтому представляется целесообразным рассмотрение процессов роста и растворения кристаллов в акустическом поле с единой точки зрения. Это позволит найти способы управления ростом или растворением кристаллов варьированием параметрами поля упругих колебаний. Проблема исследования влияния упругих колебаний на процессы растворения поли- и монокристаллов имеет самостоятельное прикладное значение, напри-
1
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - акустическая ванна, 2 - источник ультразвука, 3 - кварцевая кювета, 4 - исследуемый кристалл, 5 - оптическая вставка, 6 - лазер, 7 - фотоприемник, 8 - мешалка, 9 - термодатчик.
мер для таких задач геотехнологии, как подземное растворение солей [11].
Цель настоящей работы - изучение зависимости процессов роста и растворения монокристаллов от характеристик акустических течений, в первую очередь пограничных потоков Шлихтинга. Проведено экспериментальное исследование воздействия на рост и растворение монокристаллов дигидрофосфата калия (КБР) полей широкого частотного диапазона - от ближнего ультразвука до 1.4 МГц. Данное сообщение посвящено экспериментам с начальным ультразвуком и полем стоячей волны. Описание экспериментов проведено в хронологической последовательности их выполнения, в процессе развития техники эксперимента и представлений об объекте исследования, с тем чтобы сделать акцент на специфических особенностях акустического воздействия и важности правильной трактовки результатов.
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для исследования воздействия на модельные и реальные объекты полей различной пространственно-временной конфигурации разработаны технические средства, позволяющие создать практически любую акустическую ситуацию в иммерсионной и визуализующей средах, в воде, в перегретом и пересыщенном солевом растворе (ближнее поле начального УЗ, сфокусированные поля, постоянный и импульсный многочастотный режим стоячей волны). Методика экспериментов на реальных объектах (монокристаллах) иллюстрируется схемой, показанной на рис. 1 [12]. Герметичная акустическая ванна из прозрачного пластика является одновременно ультратермостатом. В нее введен источник УЗ (на схеме для примера показан источник ближнего УЗ - порш-
366
ЕРШОВ и др.
R,мкм/мин 4
3
2
1
- ссооо оОС№°0° о
о°°о°° о
о о о о 0ООООООоОО ООООО о
"ОО О О ° ° ° ° ° О О О о О о 0
1 1 1 - со 1 1 1
70 80 90 100 110 120 130 140 150
t, мин
Рис. 2. Ростовой отклик грани (100) кристалла KDP на воздействие ближним полем начального ультразвука.
невой полуволновой вибратор). В других модификациях акустическая система оснащается излучателями различного типа: пьезокерамическим излучателем с фокусирующей акустической линзой, сферическим концентратором, двумя поршневыми излучателями, расположенными навстречу друг другу, а также отражателем звука, настраиваемым для работы системы в режиме полуволнового резонатора. По оси ванны (и во всех вариантах одновременно по акустической оси) помещается кварцевая кювета с исследуемым кристаллом. Исследуемая поверхность кристалла -грань (100) или (101) на стеклянной подложке или же две грани (100). В кювете находится раствор КБР, иммерсионной средой является раствор КаС1 той же плотности или вода. Окна кюветы звуко- и светопроницаемы и изготовлены из недвулучепреломляющего материала, излучатели ультразвука светопрозрачны по акустической оси (оптическая вставка). Эффект от акустического воздействия контролируется измерением в реальном времени скорости роста (растворения) исследуемой поверхности кристалла нелинейно-оптическими средствами [13]. Для точного определения скорости роста (растворения) используется двулучепреломляющая способность кристалла КБР. Луч Ие-Ке лазера проходит всю систему, и его выходная интенсивность, определяемая фотоприемником, является периодической функцией (период - 16 мкм для грани призмы и 35 мкм - для пирамиды) толщины кристалла. Наряду с акустическим в схеме пред
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.