научная статья по теме УПРАВЛЕНИЕ СИММЕТРИЕЙ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ LBO МЕТОДОМ КИРОПУЛОСА Физика

Текст научной статьи на тему «УПРАВЛЕНИЕ СИММЕТРИЕЙ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ LBO МЕТОДОМ КИРОПУЛОСА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 5, с. 145-149

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.365

УПРАВЛЕНИЕ СИММЕТРИЕЙ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ LBO МЕТОДОМ КИРОПУЛОСА

© 2009 г. А. Е. Кох, В. А. Влезко, К. А. Кох

Институт геологии и минералогии СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3 E-mail: kokh@mail.ru Поступила в редакцию 28.01.2009 г.

Описывается установка для выращивания монокристаллов из раствора-расплава методом Киропу-лоса. Установка имеет двухзонную ростовую печь, механизмы перемещения и вращения кристалло-держателя, а также систему управления на основе 1-7188ЕО-контроллера со встроенной целевой системой ISaGRAF. Верхняя и нижняя зоны печи состоят из восьми нагревательных элементов, позволяющих управлять симметрией теплового поля как в статическом, так и в динамическом (вращение теплового поля) режимах. На примере выращивания кристаллов LiB3O5 показана высокая эффективность работы установки.

PACS: 81.10.Fq

В ряде ранних работ мы показали эффективность применения метода изменения симметрии и вращения теплового поля для выращивания различных кристаллов [1, 2]. В данной статье описана установка для выращивания кристаллов из раствор-расплавной системы так называемым способом Киропулоса в тепловом поле, симметрия которого совпадает с симметрией кристаллической структуры выращиваемого кристалла. Кристалл наращивается на кристаллическую затравку. Его граница смещается вслед за перемещением изотермы кристаллизации. Установку использовали для выращивания монокристаллов трибората лития LiB3O5 — широко известного под аббревиатурой LBO нелинейно-оптического материала.

Система управления (с.у.) установкой организована как интеллектуальная распределенная система из функционально законченных элементов с общей последовательной шиной. Ее основу составляет PC-контроллер I-7188EG со встроенной целевой системой ISaGRAF. В качестве элементов с.у. используются модули серии I-7000 фирмы ICP DAS и модули собственной разработки, совместимые с этой серией. На нижнем уровне контроллер и модули объединены в полудуплексную сеть по стандарту RS-485. Для связи с системами верхнего уровня у контроллера имеется Ethernet-порт, что позволяет не только осуществлять обмен данными между контроллером и управляющим компьютером, но и объединять несколько контроллеров, создавать различные технологические сети.

Программы управления разработаны в системе ISaGRAF 3.ХХ с использованием языков стан-

дарта МЭК-61131-3. Они выполняют функции считывания и первичной обработки сигнала, математической обработки, реализации алгоритмов управления, взаимодействия между модулями системы и программой интерфейса человек-машина. Используются элементы стандартных библиотек ISaGRAF и некоторые функции и функциональные блоки собственной разработки. На верхнем уровне оператора применена SCADA-система InduSoft Web Studio. SCADA-система обеспечивает отображение на экране компьютера всех необходимых технологических параметров и органов управления ростовой установкой в удобном для оператора виде, взаимодействие между оператором и технологической программой (диалоговый режим: команда—подтверждение—отклик), архивирование данных, протоколирование действий оператора, связь с верхним уровнем управления и т.п. Данная с.у. отличается такими важными качествами, как низкая стоимость, высокая надежность, компактность (небольшой настенный бокс), гибкость (возможность перенастройки и трансформации), приспособленность к модернизации и развитию.

Структурная схема установки выращивания кристаллов LiB3O5 с управляемой симметрией поля и распределенной с.у. с ISaGRAF-контрол-лером представлена на рис. 1. Термопарные модули I-7011D, силовые блоки TE10A и два канала цифроаналогового преобразователя выходного сигнала I-7024 образуют прецизионные терморегуляторы для верхней и нижней зон ростовой печи [2]. Входными сигналами для модулей I-7011D служат э.д.с. распределенных по окружности печи параллельно соединенных термопар. Шинный

Контроллер ШД перемещения MD1-VL Контроллер ШД вращения MD2-VL ISaGRAF технологический контроллер

Станция оператора со SCADA системой

Ростовая печь

Коммутатор нагрузки LC8-VL

Массив силовых оптореле Рис. 1. Блок-схема управления установкой для выращивания кристаллов ЬБО.

повторитель I-7510 обеспечивает дополнительную изоляцию между аналоговой частью и цифровым интерфейсом. Для регистрации веса кристалла служит датчик веса на основе механизма уравновешивания фирмы Mettler (или его отечественного аналога) с аналого-цифровым преобразователем I-7012. Модуль I-7005 является датчиком контакта кристалл—расплав по величине тока в цепи «держатель затравки-затравка—рас-твор/расплав—тигель». Контроллер ШД механизма перемещения кристалла MD1-VL (собственной разработки) обеспечивает движение затравки или кристалла вверх-вниз как на стадии предро-стовой подготовки, так и во время роста. Контроллер ШД механизма вращения кристалла MD2-VL (собственной разработки) обеспечивает поворот штока на заданный угол во время измерения радиального распределения температуры в печи и для позиционирования затравочного кристалла относительно теплового поля. В процессе роста кристалл не вращают. Коммутатор нагрузки LC8-VL (собственной разработки) подключает нагревательные элементы нижней зоны печи по заданной программе с помощью силовых опторе-ле WG A5 6D 25 Z (COMUS) и тем самым предоставляет возможность управления симметрией теплового поля в ростовой печи. Контроллер I-7188EG выполняет ISaGRAF-программу управления технологическим процессом. SCADA-си-

стема InduSoft Web Studio, установленная на управляющем компьютере, взаимодействует с ISaGRAF-программой технологического контроллера I-7188EG и выполняет роль интерфейса человек—машина.

Ростовая печь состоит из верхней и нижней зон нагрева. Нижняя зона состоит из восьми нагревательных элементов, геометрические размеры и пространственное расположение которых обеспечивают ромбическую симметрию теплового поля, а также вращение теплового поля как в процессе выращивания кристалла, так и на стадии пред-ростовой подготовки раствора-расплава — гомогенизации. Верхняя зона служит для управления осевым распределением температуры. Верхняя и нижняя зоны подключаются через отдельные контуры терморегулирования, в цепи отрицательной обратной связи которых задействованы четыре и восемь, соответственно, параллельно соединенных хромель-алюмелевых термопар. Внутренняя часть печи показана на рис. 2.

Как уже было сказано, коммутатор нагрузки позволяет подключать нагревательные элементы нижней зоны в различной заданной последовательности и изменять время подключения в широком диапазоне значений. В данной работе рассматривается следующая последовательность подключения нагревательных элементов нижней зоны: 1-2-3-4 (группа 1) ^2-3-4-5 (группа 2) ^ ... ^ 7-8-1-2

УПРАВЛЕНИЕ СИММЕТРИЕЙ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ

147

(группа 7) ^ 8-1-2-3 (группа 8) ^ 1-2-3-4 (группа 1)... . То есть в каждый момент времени под нагрузкой находится одна из восьми групп, каждая из которых состоит из четырех рядом расположенных нагревательных элементов. Кроме того, в коммутаторе нагрузки предусмотрена корректировка времени подключения каждой из восьми групп нагревательных элементов.

Процесс гомогенизации раствора-расплава осуществляется при существенно одностороннем нагреве тигля. Это достигается длительным (~15— 20 мин) временем переключения групп нагревательных элементов. При этом тепловое поле становится неосесимметричным, формально же оно обладает осью симметрии первого порядка — При таком подводе тепла в тигле формируется сквозная конвективная ячейка (от стенки до стенки), охватывающая практически весь объем находящегося в тигле раствора-расплава и последовательно изменяющая свою ориентацию вокруг оси тигля при переключении групп нагревательных элементов. Эксперименты продемонстрировали высокую эффективность бесконтактного способа гомогенизации.

Рис. 3. Измеренные распределения температуры на поверхности раствора-расплава при перемещении измерительной термопары по окружности радиусами 80 (кривая 1) и 24 мм (кривые 2, 3 и 4). Период переключения между группами нагревателей — 3 с. Дополнительные времена подключения групп: +0.5 с для группы 6 (кривая 3), +0.1 с для группы 4 (кривая 4).

Рис. 2. Внутренняя часть печи. А, Б — нагревательные элементы верхней и нижней зон; 1, 2 — регулирующие термопары верхней и нижней зон, соответственно.

По окончании процесса гомогенизации время переключения групп нагревательных элементов уменьшается до 3 с. Тепловое поле становится од-

Ни '-41 1 - . „ . ,. яр - V , ; : . ' «да '

нородным и осесимметричным. Температура поддерживается с точностью ±0.1°С. Распределение температуры в горизонтальном сечении, полученное при перемещении измерительной термопары по окружности радиусом 80 мм, показано на рис. 3 (кривая 1). Такое распределение температуры соответствует ромбической симметрии теплового поля. Рост кристалла ЬБО, обладающего также ромбической симметрией кристаллической структуры (Ь22Р), осуществляется, в соответствии с принципом симметрии Кюри [3], при совмещении элементов симметрии кристалла и теплового поля.

Существенным моментом в технологии выращивания является совпадение точки наименьшей температуры ("холодной точки" — х.т.) на поверхности раствора-расплава с геометрическим центром ростового тигля, где происходит контакт затравочного кристалла и ростовой среды. Поскольку тепловое поле в нашем случае характеризуется весьма низкими значениями как осевого, так и радиального градиентов температуры (~1°С/см), то из-за разных причин (местоположения тигля в печи, его деформации, нецилин-дричности, местоположения регулирующих термопар, конструктивных особенностей печи и др.) смещение х.т. от центра тигля может достигать нескольких сантиметров. Отклонение х.т. от центра тигля, откуда начинается рост кристалла, приво-

дит, в худшем случае, к спонтанному зарождению вне затравки и дальнейшему конкурентному росту блочного кристалла, либо, при не очень сильном отклонении, происходит рост кристалла н

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.

Показать целиком