Спосіб одержання ізотопно-чистого кремнію-28 та пристрій для його здійснення

1. Спосіб одержання ізотопно-чистого кремнію-28, який відрізняється тим, що при рафіну C2 2 (19) 1 3 Відомий спосіб одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення, вибраний як прототип, в якому задану температуру в зоні плавлення вимірюють автоматично та підтримують постійною протягом всього процесу рафінування (Патент України № 92122, МПК (2009) С30В13/00, Н05В6/00, 2010). Процес зонного рафінування кремнію відбувається методом «плаваючої зони». Оскільки задана температура зони плавлення підтримується блоком програмного керування постійною протягом всього процесу рафінування, на поверхні розподілу фаз виникають оптимальні умови для дифузії інгредієнтів очищуваного кремнію. При цьому, більш тугоплавкі інгредієнти переміщуються на кінець заготовки, а менш тугоплавкі видаляються із зони плавлення. Цей спосіб екологічно чистий, підвищує продуктивність процесу рафінування, знижує енерговитрати та зменшує собівартість високочистого кремнію. Однак, цим способом неможливо одержати ізотопно-чистий кремній-28, оскільки в ньому відсутній процес опромінювання зони плавлення. Відомий пристрій, вибраний як прототип, для одержання високочистого кремнію методом безтигельного зонного плавлення (Патент України № 92122, МПК (2009) С30В13/00, Н05В6/00, 2010). Цей пристрій містить індукційну піч з оптичним вікном, в якій розміщують заготовку кремнію, та індукційний нагрівник. Із зовнішньої сторони печі розміщений блок вимірювання температури, який встановлений перед оптичним вікном та оптично з'єднаний з зоною плавлення заготовки матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, та блок програмного керування, який електрично з'єднаний з блоком вимірювання температури, з джерелом енергії та механізмом переміщення. Однак, одержати в ньому ізотопно-чистий кремній-28 неможливо, оскільки в ньому відсутній блок опромінювання зони плавлення. В основу першого із групи винаходів поставлено задачу одержання ізотопно-чистого кремнію28, підвищення ефективності процесу одержання кремнію-28 та зниження його собівартості. Поставлена задача вирішується тим, що у способі одержання ізотопно-чистого кремнію-28, згідно з винаходом, при рафінуванні кремнію методом безтигельного зонного плавлення зону плавлення опромінюють, наприклад, нейтронами, при цьому задана потужність дози опромінювання підтримується постійною протягом всього процесу рафінування. В основу другого із групи винаходів поставлена задача одержання ізотопно-чистого кремнію-28, підвищення ефективності процесу одержання кремнію-28 та зниження його собівартості. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для одержання ізотопно-чистого кремнію-28 містить індукційну піч з джерелом енергії, блок вимірювання температури, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування, та блок програмного керування, який електрично з'єднаний з блоком вимірювання температури, з джере 97591 4 лом енергії та механізмом переміщення. Згідно з винаходом, він додатково містить блок опромінювання, який оптично з'єднаний з зоною плавлення матеріалу та електрично з'єднаний з блоком програмного керування. Блок опромінювання може переміщуватися синхронно із зоною плавлення кремнію. Спосіб здійснюють таким чином. Після встановлення заготовки кремнію в індукційну піч та включення джерела енергії, індукційний нагрівник розплавляє зону заготовки кремнію. Блок вимірювання температури встановлюють перед оптичним вікном та оптично з'єднують із зоною плавлення. Блок опромінювання встановлюють також перед оптичним вікном та оптично з'єднують із зоною плавлення. Теплові промені попадають в блок вимірювання температури, в якому перетворюються в електричний сигнал, що несе в собі інформацію про величину заданої температури зони плавлення. Цей сигнал надходить до блоку програмного керування, який виконує операції вирахування функції введеного в нього сигналу із центральної частини зони плавлення, яка має оптимальну температуру. Потім цей сигнал надходить до джерела енергії та до механізму переміщення заготовки матеріалу та/або до механізму переміщення індукційного нагрівника, керує потужністю джерела енергії, підтримуючи задану температуру в зоні плавлення постійною протягом всього процесу рафінування. При наявності зони плавлення включається блок опромінювання, який опромінює її, наприклад, нейтронами. При цьому відбувається фракціонування ізотопів кремнію та перехід ізотопів кремнію-29 та кремнію-30 в ізотоп кремнію-28. Задана потужність дози опромінювання підтримується постійною протягом всього процесу рафінування кремнію. Процес зонного рафінування кремнію відбувається методом «плаваючої зони». Переміщення зони плавлення відбувається при переміщенні індукційного нагрівника. При переміщенні опромінюваної зони плавлення відбувається фракціонування ізотопів кремнію та перехід ізотопів кремнію-29 та кремнію-30 в ізотоп кремнію-28. При цьому, інгредієнти заготовки розплавляються, завдяки її нагріванню наведеним електромагнітним полем індукційного нагрівника, розчиняються в зоні плавлення. Частина інгредієнтів, за рахунок дифузії, переміщується по заготовці кремнію, а більш легкоплавкі видаляються із зони плавлення. Оскільки задана температура зони плавлення підтримується блоком програмного керування постійною протягом всього процесу рафінування, тому фракціонування ізотопів кремнію та перехід ізотопів кремнію-29 та кремнію-30 в ізотоп кремнію-28 при опромінюванні зони плавлення відбувається також протягом всього процесу рафінування. При цьому, на поверхні розподілу фаз виникають оптимальні умови для одержання ізотопно-чистого кремнію-28. На фіг. наведена блок-схема пристрою для здійснення способу. Пристрій містить індукційну піч 1 з оптичним вікном 2, в якій розміщують заготовку кремнію 3 та 5 97591 індукційний нагрівник 4. Із зовнішньої сторони печі 1 розміщений блок вимірювання температури 5, який встановлений перед оптичним вікном 2 та оптично з'єднаний із зоною плавлення 6 заготовки матеріалу 3, блок програмного керування 7, джерело енергії 8, механізм переміщення 9 та блок опромінювання 10. Пристрій працює таким чином. Блок вимірювання температури 5 встановлюють перед оптичним вікном 2 та оптично з'єднують із зоною плавлення 6. Теплові промені цієї зони попадають в блок вимірювання температури 5, в якому перетворюються в електричний сигнал, що несе в собі інформацію про величину заданої температури в зоні плавлення. Цей сигнал надходить до блоку програмного керування 7, який виконує операції вирахування функції введеного в нього сигналу із центральної частини зони плавлення, яка має оптимальну температуру. Потім цей сигнал надходить до джерела енергії 8 та до механізму переміщення індукційного нагрівника та/або переміщення заготовки кремнію 9, керує потужністю джерела енергії 8, підтримуючи задану температуру в зоні плавлення постійною протягом всього процесу рафінування. Після включення джерела енергії 8, індукційний нагрівник 4 наведеним електромагнітним полем на заготовці кремнію 3 утворює зону плавлення 6. Потім включається блок опромінювання 10, який опромінює, наприклад, нейтронами зону плавлення 6. При переміщенні опромінюваної зони плавлення 6 на поверхні розподілу фаз виникають 6 оптимальні термодинамічні умови для одержання ізотопно-чистого кремнію-28. При цьому, відбувається фракціонування ізотопів кремнію та перехід ізотопів кремнію-29 та кремнію-30 в ізотоп кремнію-28. При цьому, інгредієнти заготовки розплавляються, завдяки її нагріванню наведеним електромагнітним полем індукційного нагрівника, розчиняються в зоні плавлення. Частина інгредієнтів, за рахунок дифузії, переміщується по заготовці кремнію, а більш легкоплавкі видаляються із зони плавлення. Оскільки задана температура зони плавлення підтримується блоком програмного керування постійною протягом всього процесу рафінування, тому фракціонування ізотопів кремнію та перехід ізотопів кремнію-29 та кремнію-30 в ізотоп кремнію-28 при опромінюванні зони плавлення відбувається також протягом всього процесу рафінування. Запропонований пристрій при одержанні ізотопно-чистого кремнію-28 забезпечує підтримання температури зони плавлення постійною з мінімальними відхиленнями від заданої, що усуває небажані термічні напруги, які призводять до погіршення чистоти кремнію або, навіть, до руйнування заготовки. Запропонована група винаходів дозволяє одержати ізотопно-чистий кремній-28, підвищити ефективність процесу рафінування, знизити енерговитрати та собівартість готового продукту. Таким чином, наведені дані підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленої групи винаходів. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601