專利名稱：一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)，屬于生產(chǎn)過程設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磷酸二氫鉀(KDP)和磷酸二氘鉀(DKDP)晶體是一種被廣泛使用的非線性水溶液晶體材料，具有很高的激光損傷閾值和較高的非線性系數(shù)以及可制作較大尺寸器件等優(yōu)點(diǎn)，其二倍、三倍、四倍頻器件通常用于室溫ND:YAG激光器和染料激光器中，也是理想的高功率變頻材料。近年來，隨著慣性約束核聚變(ICF)的迅速發(fā)展，對KDP和DKDP晶體的研究在國際上又進(jìn)入了一個(gè)新階段。盡管新型的非線性光學(xué)材料不斷涌現(xiàn)，但綜合對比晶體的光學(xué)性能和生長條件，優(yōu)質(zhì)大尺寸的KDP和DKDP晶體是目前唯一可用于激光核聚變等高功率系統(tǒng)中的晶體。KDP晶體一般多采用水溶液緩慢降溫法來生長，因?yàn)槠渌芤壕哂休^大的溫度系數(shù)、較高的溶解度和較寬的亞穩(wěn)定區(qū)域。 水溶液法培養(yǎng)KDP晶體，生長溶液的過飽和度為晶體生長提供驅(qū)動力，直接影響著晶體的生長速度。過飽和度越大，晶體的生長速度越快。同時(shí)溶液的過飽和度又影響著溶液的穩(wěn)定性，溶液的過飽和度越大，其穩(wěn)定性越低，越容易出現(xiàn)自發(fā)結(jié)晶成核現(xiàn)象。在生長大尺寸KDP晶體時(shí)，要兼顧生長速度與溶液的穩(wěn)定性，使晶體的生長速度、尺寸大小、光學(xué)品質(zhì)等都能達(dá)到要求。在培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)大尺寸KDP晶體時(shí)，傳統(tǒng)生長方法(水溶液緩慢降溫法)的主要缺陷是晶體生長速率慢、生長周期長，晶體質(zhì)量難以保證，最后晶體的成品率低，導(dǎo)致晶體價(jià)格昂貴，嚴(yán)重影響其大規(guī)模使用。

發(fā)明內(nèi)容
為了批量生產(chǎn)大尺寸優(yōu)質(zhì)的KDP和DKDP晶體，本發(fā)明提供了一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)。本發(fā)明專利所采用的技術(shù)方案是:晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)包括培養(yǎng)裝置、過濾裝置和控制裝置。(I)培養(yǎng)裝置由育晶罐和安裝在育晶罐上的測溫?zé)犭娮鑄l、PH傳感器、安裝在育晶罐內(nèi)的載晶架和載晶架電機(jī)、攪拌器和攪拌電機(jī)、安裝在育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器、安裝在育晶罐夾套上的冷卻水進(jìn)出口組成。需培養(yǎng)生長的一個(gè)晶核放在載晶架上由載晶架電機(jī)帶動順時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動；攪拌電機(jī)帶動攪拌器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，使生長液與罐壁(進(jìn)行熱交換)、晶核充分接觸；通過控制電加熱和夾套冷卻水的進(jìn)出，保持育晶罐內(nèi)生長溶液的溫度恒定并在一個(gè)生長周期(幾十天)內(nèi)非常緩慢下降(從65°C緩慢降低到25°C)。在降溫過程中，重點(diǎn)是控制好降溫速率，使晶體能夠均勻、快速地生長。(2)過濾裝置由熱水浴槽和平衡水浴槽組成。熱水浴槽由熱水槽、熱水浴測溫?zé)犭娮鑄2、蛇形管、熱水浴接收槽、熱水浴接收槽測溫?zé)犭娮鑄3、輸送泵、過濾槽、攪拌器和攪拌電機(jī)、電加熱器、冷卻水進(jìn)出口組成；平衡水浴槽由平衡水槽、平衡水浴測溫?zé)犭娮鑄4、蛇形管、平衡水浴接收槽、平衡水浴接收槽測溫?zé)犭娮鑄5、計(jì)量泵、流量計(jì)、攪拌器和攪拌電機(jī)、電加熱器、冷卻水進(jìn)出口組成。
為了讓熱水浴和平衡水浴中各處的溫度均勻一致，在熱水浴和平衡水浴中分別配備攪拌器和攪拌電機(jī)。通過蛇形管的熱交換作用，溫度為T2的熱水浴將管路中的生長溶液加熱到T3，溫度為T4的平衡水浴將管路中的生長溶液平衡到T5。熱水浴和平衡水浴通過電加熱器和添加冷卻水進(jìn)行溫度調(diào)整。溶液的過濾過程是，從育晶槽里流出的帶有顆粒雜質(zhì)的生長溶液，先加熱溶解雜晶；再經(jīng)過濾器濾除無關(guān)雜質(zhì)；最后通過降溫使回流到育晶槽里的溶液溫度恢復(fù)到與育晶槽里的溶液溫度一致，避免對育晶槽里的溶液造成擾動，從而完成連續(xù)過濾循環(huán)。(3)控制裝置由PLC、相關(guān)擴(kuò)展模塊、觸摸屏、相關(guān)執(zhí)行器組成。本發(fā)明專利，通過在培養(yǎng)過程中對生長溶液循環(huán)過濾，克服溶液自發(fā)結(jié)晶的影響，使雜晶與無關(guān)顆粒大量減少，提高了大尺寸晶體的生長速度和質(zhì)量，保證KDP和DKDP晶體具有大尺寸、低錯(cuò)位度、高光學(xué)均勻性和高激光損傷閾值等特征。


圖1是晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾過程自動控制的流程圖。附圖1中I是育晶罐；2是電加熱器；3是PH傳感器；4是正在生長的晶體；5是載晶架；6是載晶架電機(jī)；7是攪拌器；8是攪拌電機(jī)；9是冷卻水進(jìn)口 ； 10是冷卻水出口 ；11是熱水?。?2是平衡水??；13、28是蛇形管；14是熱水浴接收槽；15是輸送泵；16是過濾器；17是平衡水浴接收槽；18是計(jì)量泵；19是流量計(jì)；20、26是冷卻水進(jìn)口 ；21、27是冷卻水出口 ；22、25是電加熱器；23、24是攪拌器。T1到T5為5個(gè)測溫點(diǎn)=T1是育晶罐溫度；T2是熱水浴溫度；Τ3是熱水浴接收槽溫度；Τ4是平衡水浴溫度；Τ5是平衡水浴接收槽溫度。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說明。一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)的應(yīng)用，包括以下實(shí)施過程:(I)做好溶液投放工作之后，打開電源，系統(tǒng)即進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)。若是初次開機(jī)，需進(jìn)行溫度控制，設(shè)定包括:熱水浴的、輸送泵啟動下限A2、平衡水浴的A3與計(jì)量泵的啟動上限Λ 4值(Λ是指與育晶槽溫度Tl的偏差值)。(2)育晶槽旋轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)的控制任務(wù)有兩個(gè)，一是對育晶槽底部的攪拌器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，使溶液旋轉(zhuǎn)起來，減小溶質(zhì)擴(kuò)散層的厚度，同時(shí)也讓生長溶液中的熱量與物質(zhì)運(yùn)動起來；二是對載晶架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，讓晶體的生長面均勻地接觸到溶液中的物質(zhì)與能量。(3)系統(tǒng)進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)后，育晶槽內(nèi)的溶液溫度為T1,流經(jīng)溫度為τ2(τ2 =T1+ Δ i)的熱水浴中的蛇形管，雜晶顆粒隨著溶液溫度的升高而溶解，溶液進(jìn)入熱水浴接受槽，溫度達(dá)到T3。(4)熱水浴接收槽中的溶液經(jīng)輸送泵流經(jīng)兩級過濾器，濾除無關(guān)雜質(zhì)，凈化溶液品質(zhì)。
(5)過濾后的溶液經(jīng)計(jì)量泵流入溫度為T4CT4 = \+Λ3)的平衡水浴中的蛇形管，溶液溫度降低到與育晶槽里的溫度Tl接近一致，匯流到平衡水浴接收槽，溫度降為Τ5 =TI，最后回到育晶槽，完成循環(huán)。(6)輸送泵與計(jì)量泵聯(lián)動,輸送泵啟動需滿足條件T3 > T1+A2，計(jì)量泵啟動需滿足條件T1 < T5 < T1+A4，當(dāng)兩個(gè)條件都滿足時(shí)，輸送泵與計(jì)量泵同時(shí)啟動，避免一個(gè)泵動作另一個(gè)泵不動作的情況發(fā)生。本發(fā)明專利可提高大尺寸晶體的生長速度和質(zhì)量。以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于發(fā)明技術(shù)方案的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)，系統(tǒng)包括培養(yǎng)裝置、過濾裝置和控制裝置。其特征在于，培養(yǎng)裝置由育晶罐和安裝在育晶罐上的測溫?zé)犭娮鑄l、PH傳感器、安裝在育晶罐內(nèi)的載晶架和載晶架電機(jī)、攪拌器和攪拌電機(jī)、安裝在育晶罐夾套內(nèi)的電加熱器、安裝在育晶罐夾套上的冷卻水進(jìn)出口組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)，其特征在于，過濾裝置由熱水浴槽和平衡水浴槽組成。熱水浴槽由熱水槽、熱水浴測溫?zé)犭娮鑄2、蛇形管、熱水浴接收槽、熱水浴接收槽測溫?zé)犭娮?T3、輸送泵、過濾槽、攪拌器和攪拌電機(jī)、電加熱器、冷卻水進(jìn)出口組成；平衡水浴槽由平衡水槽、平衡水浴測溫?zé)犭娮鑄4、蛇形管、平衡水浴接收槽、平衡水浴接收槽測溫?zé)犭娮鑄5、計(jì)量泵、流量計(jì)、攪拌器和攪拌電機(jī)、電加熱器、冷卻水進(jìn)出口組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)，其特征在于，通過蛇形管的熱交換作用，溫度為T2的熱水浴將管路中的生長溶液加熱到T3，溫度為T4的平衡水浴將管路中的生長溶液平衡到T5。熱水浴和平衡水浴通過電加熱器和添加冷卻水進(jìn)行溫度調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明屬于生產(chǎn)過程設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種晶體連續(xù)培養(yǎng)及過濾系統(tǒng)。系統(tǒng)包括培養(yǎng)裝置、過濾裝置和控制裝置。培養(yǎng)裝置由育晶罐和的測溫?zé)犭娮?、PH傳感器、載晶架和載晶架電機(jī)、攪拌器和電機(jī)、電加熱器、冷卻水進(jìn)出口組成。過濾裝置由熱水浴槽和平衡水浴槽組成，有熱水槽、平衡水槽和測溫?zé)犭娮?、蛇形管、接收槽和測溫?zé)犭娮?、輸送泵、?jì)量泵、過濾槽、攪拌器和電機(jī)、電加熱器、冷卻水進(jìn)出口?？刂蒲b置由PLC和觸摸屏組成。系統(tǒng)在快速生長大尺寸晶體的培養(yǎng)過程中對從育晶罐里流出的帶有顆粒雜質(zhì)的生長溶液，先加熱溶解、再過濾，最后降溫回流，從而完成連續(xù)過濾循環(huán)。本發(fā)明提高了大尺寸KDP和DKDP晶體的生長速度和質(zhì)量。
文檔編號C30B29/14GK103147116SQ20131011625
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者潘豐, 何彥行, 項(xiàng)亞南 申請人:江南大學(xué)