УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА И ПЛАВЛЕНИЯ ТУГОПЛАВКОГО ВЕЩЕСТВА Российский патент 1994 года по МПК H01J37/305 

Изобретение относится к области технологии, связанной с тепловой обработкой, плавлением материалов. Наиболее эффективно его использование для выращивания монокристаллов тугоплавких веществ, особенно, неэлектропроводящих.

Широко распространены устройства для нагрева в виде электрических печей. Их недостатком является возможность загрязнения нагреваемого вещества продуктами испарения материала нагревательного элемента и разогретых окружающих конструкционных деталей. Для плавления тугоплавких веществ (Т_пл. 2000^оС) существует проблема конструкционных материалов, особенно, нагревателя.

Наиболее близким по технической сущности к объекту заявки является устройство для разогрева с помощью ускоренных сфокусированных электронов, позволяющее нагревать в основном лишь подлежащий тепловой обработке материал, направляя на него пучок электpонов. Устройство состоит из тигля с нагреваемым веществом, источника электронов (эмиттера), системы фокусирования и ускорения электронов, высоковольтного выпрямителя, вакуумного объема, в котором размещены основные узлы устройства.

Один из недостатков этого устройства - сложность и необходимость наличия хорошего вакуума, так как его ухудшение, например, из-за случайных локальных нагревов электронным пучком элементов конструкции нарушает стабильность работы устройства, что может, в частности, повлиять на качестве выращиваемых монокристаллов. Другой недостаток - необходимость высоковольтного оборудования, что усложняет обслуживание устройства. Недостатком является и невозможность нагрева неэлектропроводящих материалов. С целью устранения указанных недостатков предложено источник электронов (эмиттер) выполнить в виде электрически изолированной от стенок тигля металлической оболочки, охватывающей тигель снаружи, образующей с его стенками герметичный зазор, содержащий наполнение в виде щелочного или щелочноземельного металла. Наполнение может быть помещено в резервуар, сообщающийся с полостью зазора. Металлическая оболочка (эмиттер) снабжена нагревателем и холодильником. Ширина герметичного зазора устройства может быть выполнена непрерывно или ступенчато изменяющейся по высоте тигля.

Наличие щелочного или щелочноземельного металла в полости зазора снижает работу выхода электронов материала оболочки - эмиттера, устраняет тормозящий потенциальный барьер у эмиттера и тем самым в режиме термоэмиссионного разряда уже при напряжениях порядка 50-100 В позволяет повысить плотность эмиссионных токов до 10 А/см² и более, что обеспечивает необходимый нагрев без фокусировки электронов и их ускорения. Предлагаемое устройство осуществляет нагрев тигля термоэмиссионным разрядом, горящим в его зазоре, и позволяет нагревать не только металлы, но и неэлектропроводящие материалы. Выполнение зазора устройства с различной шириной по высоте тигля делает возможным локальный нагрев стенок тигля, благодаря локальному зажиганию и горению термоэмиссионного разряда в зазоре. Это обеспечивает при экспериментальной отработке конструкции нужное распределение температуры по стенкам тигля, что особенно важно при выращивании монокристаллов.

Локальное зажигание и горение разряда обеспечивается подбором оптимального давления паров материала наполнителя для определенной ширины зазора, в котором предполагается поддерживать разряд. При этом используется зависимость Пашена для данного материала наполнителя. Существенно новым для нагревательных устройств в данном техническом решении является совокупность указанных выше отличительных признаков, а именно: во-первых, наличие вокруг тигля охватывающей его герметичной металлической оболочки, электрически изолированной от него; во-вторых, нахождение щелочного или щелочноземельного металла в полости зазора между стенками тигля и охватывающей его оболочки. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Именно совокупность этих признаков обеспечивает положительный эффект: улучшение качества выращиваемых монокристаллов благодаря стабилизации нагрева; упрощение устройства благодаря ненужности фокусировки и ускорения электронов, ненужности высоковольтного оборудования.

Подобные нагревательные устройства авторам неизвестны.

Конструкция предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Тигель 1 выполнен из тугоплавкого металла (например, молибдена). Он окружен наружной металлической оболочкой 2, выполненной, например, из стали 12Х18Н10Т, внешним нагревателем 3, холодильником 4. Оболочка 2 образует со стенками тигля 1 герметичный зазор 5. Герметизация зазора 5 осуществляется разборным гермовводом 6. Полость зазора 5 сообщается с резервуаром 7, содержащим наполнитель 8. например цезий, в количестве нескольких граммов. Резервуар 7 снабжен нагревателем 9, холодильником 10 и вентилем 11.

Зазор 5 выполнен ступенчатым по ширине, состоящим из трех участков: 12, 13 и 14 с различной шириной. Устройство помещается в защитный объем, который либо вакуумируется, либо заполняют контролируемой инертной средой.

Устройство работает следующим образом. Защитный объем и полость зазора вакуумируют. Нагревателем 9 разогревают резервуар 7 до температуры, соответствующей усредненному оптимальному давлению паров наполнителя для участков 12, 13, 14 зазора, а нагревателем 3 разогревают оболочку 2 до 600-650^оС. Затем между корпусом 1 и оболочкой 2 подают напряжение не более 50-100 В ("плюс" на корпус тигля). Поскольку в полости зазора 5 находятся пары наполнителя, проникающие из резервуара 7, то в зазоре 5 между оболочкой 2 и тиглем 1 возникает и поддерживается низковольтный разряд в виде термоэмиссионной дуги, равномерно охватывающей всю поверхность тигля 1, обращенную к зазору 5 и нагревающей ее до нужной температуры. При этом обеспечиваются удельные тепловые потоки до 100 Вт/см².

После возникновения в зазоре 5 развитой термоэмиссионной дуги нагреватель 3 отключают и, при необходимости, включают холодильник для защиты оболочки 2 от перегрева.

В некоторых случаях, например при выращивании монокристаллов, важно распределение температуры по высоте тигля. При выращивании монокристаллов температура расплава в нижней части тигля должна превышать его температуру в верхней части. Для обеспечения этого, перед подачей напряжения между корпусом 1 и оболочкой 2, в зазоре 5 устанавливают в соответствии с зависимостью Пашена давление паров материала наполнителя, при котором разряд зажигается и горит либо на участке 11, либо одновременно на участках 11 и 12, а в области участка 13 не горит.

Поскольку термоэмисионный разряд горит в герметичной полости зазора 5, не сообщающейся с пространством, в котором находится нагреваемый материал, процесс нагрева и плавления не нарушается продуктами испарения этого материала и поддерживается в стабильном состоянии, что способствует, в частности, повышению качества выращиваемых монокристаллов. Устройство является простым по конструкции, не требует сложного оборудования и обслуживания, так как нет необходимости фокусировать и ускорять электроны, применять высоковольтное оборудование. (56) Авторское свидетельство СССР N 1457714, кл. Н 01 J 37/08, 1987.

Башенко В. В. Электроннолучевые установки. Л. : Машиностроение, 1972, с. 159-164.

Использование: в области технологии, связанной с тепловой обработкой, плавлением материалов. Наиболее эффективно его использование для выращивания монокристаллов тугоплавких веществ, особенно неэлектропроводящих. Сущность изобретения: устройство для нагрева и плавления тугоплавкого вещества потоком ускоренных электронов состоит из тигля и источника электронов, при этом источник электронов - эмиттер - выполнен в виде электрически изолированной от стенок тигля металлической оболочки, которая охватывает тигель снаружи и образует с его сторонами герметичный зазор, содержащий наполнение в виде щелочного или щелочно-земельного металла. Устройство отличается также тем, что наполнение находится в резервуаре, сообщающемся с полостью зазора, а также тем, что металлическая оболочка снабжена нагревателем и холодильником. Герметичный зазор в устройстве выполнен с непрерывно или ступенчато изменяющейся по высоте тигля шириной. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА И ПЛАВЛЕНИЯ ТУГОПЛАВКОГО ВЕЩЕСТВА, содержащее тигель и окружающий его источник электронов, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и улучшения качества расплава, источник электронов выполнен в виде внешней стенки герметичной оболочки, составленный им со стенками тигля с образованием промежуточного разрядного зазора и электрически изолирован от тигля, а разрядный зазор снабжен средством наполнения парами щелочного или щелочноземельного металла. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство для наполнения парами щелочного или щелочноземельного металла выполнено в виде внешнего резервуара, вакуумно сообщающегося с разрядным зазором. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что внешняя стенка оболочки снабжена нагревателем и холодильником. 4. Устройство по пп. 1 - 3, отличающееся тем, что разрядный зазор выполнен с непрерывно или ступенчато изменяющейся по высоте тигля шириной.