Установка для електронно-променевої зонної плавки матеріалу в космосі в умовах мікрогравітації і космічного вакууму

1. Установка для електронно-променевої зонної плавки матеріалу в космосі в умовах мікрогравітації і космічного вакууму, що складається з ростової вакуумної камери, яка має вакуумно-щільний корпус з циліндричними охолоджуваними стінками і кришкою, електронно-променевого нагрівача, приводу переміщення електронно-променевого нагрівача, приводу вертикального переміщення електронно-променевого нагрівача, утримувачів зразка матеріалу, патрубка для відкачування газового середовища з ростової вакуумної камери, 2 (19) 1 3 83148 Винахід відноситься до устаткування для електронно-променевої зонної плавки, що працює в умовах мікрогравітації і космічного вакууму, зокрема для одержання монокристалів з напівпровідникових матеріалів, а також зонного спікання композиційних матеріалів. Відома установка для електронно-променевої зонної плавки за методом плаваючої зони, яка складається з вакуумної камери, електроннопроменевого нагрівача, що створює розплавлену зону в зразку, утримуван у силами поверхневого натягу, виконавчого приводу переміщення електронно-променевого нагрівача уздовж закріпленого на штативі зразка, джерела високовольтного живлення і гнучких високовольтних проводів [Пфанн В. Зонная плавка. -М.: Мир, 1970, с.144-145, пер. з англ.]. Недоліком цієї установки є наявність високовольтних проводів і роз’ємів, які з’єднують високовольтне джерело живлення з електроннопроменевим нагрівачем, що знижує надійність роботи установки через збільшення імовірності випадкових електричних пробоїв у високовольтних проводах через їхню значну довжину як зовні камери, так і усередині. При даній конструкції установки в значній мірі передаються мікроприскорення від приводу переміщення нагрівача на зразок, що негативно впливає на якість отриманих зразків. Відомий також пристрій для одержання кристалів методом зонної плавки в умовах невагомості, прийнята нами як прототип, що включає електронно-променевій нагрівач, утримувачі зразка, привід переміщення нагрівача уздовж зразка і високовольтний блок джерела живлення. Усе це розташоване в загальній вакуумній камері, яка розділена опорною плитою на дві частини: верхню частину - для росту кристалів і нижню - для приводу і високовольтного блоку, а інверторний блок джерела живлення винесений за межі ростової камери. [А.С. №1746755 А1 С30В 1/00, 35/00 дата публікації 2006.06.10, бюл. №31/2000]. Основними недоліками прототипу є наявність: - двох частин камери, що істотно впливає на збільшення ваги та об’єму , що дуже небажано для космічного устатк ування; - великої довжини високовольтного проводу; - відсутності можливості обертання зразка для перемішування розплавленої зони і вирівнювання фронту температури; - "жорстка" передача від приводу переміщення зразка на каретку з електронно-променевим нагрівачем, яка викликає вібрацію розплавленої зони, що негативно впливає на якість вирощуваних кристалів; - при малих струмах електронно-променевого нагрівача, а також у режимі холостого ходу у високовольтному блоці виникає перенапруга, що знижує його надійність і підвищує ймовірність електричних пробоїв; - при нестаціонарних швидких змінах опору в ланцюзі анод-катод, а також коротких замиканнях у ланцюзі анод-катод, відключення і повторне включення джерела живлення приводить до помітної зміни висоти розплавленої зони. 4 Відсутня інформація про процеси, що відбуваються при плавленні (наприклад, про розплавлену зону і прилягаючих до неї ділянках зразка, висоту розплавленої зони, її температуру та ін.). Задачею винаходу є підвищення якості одержуваних матеріалів, розширення технологічних можливостей установки, підвищення ККД і надійності процесу плавки, що дуже важливо для устаткування, працюючого на космічних апаратах, необхідність створення більш досконалої установки для зонної плавки. Для цього пропонується установка для електронно-променевої зонної плавки в космосі, що складається з ростової вакуумної камери, яка має вакуумнощільний корпус з охолоджуваними стінками, ілюмінаторами та кришкою, електронно-променевий нагрівач з теплоізолюючим екраном, утримувачі зразка, привід переміщення нагрівача і привід обертання зразка, високовольтний блок джерела живлення та високовольтні проводи, які складені в спіраль. Приводи переміщення нагрівача та обертання зразка, які мають датчики швидкості обертання двигунів, високовольтний блок із власним високовольтним ізолятором, відділені вакуумнощільною плитою від ростової вакуумної камери. Високовольтний блок підключений низьковольтним проводом до інверторного блоку джерела живлення. Для прискорення виходу на робочий режим вакуумної камери, зменшення вологи і адсорбованих газів на стінках камери, зразка і внутрішнього устаткування, вакуумна камера обладнана системою для промивання її інертним газом у процесі вакуумної відкачки. Для підвищення надійності роботи установки високовольтний блок має власний високовольтний ізолятор і високовольтні проводи, що укладені в спіраль. На високовольтний блок при малих значеннях навантаження струму автоматично подається знижена по амплітуді перемінна напруга від інверторного блоку джерела живлення. Для зменшення передачі вібрації привід переміщення електронно-променевого нагрівача має магнітну муфту і віброізолюючу прокладку. Для покращення перемішування розплавленої зони нижній утримувач зразка має власний привід обертання з магнітною муфтою і віброізолюючою прокладкою. На кресленні Фіг.1 зображено робочий блок установки для зонної плавки. Фіг.2 показує перетин А-А на Фіг.1. Фіг.3 показує перетин Б-Б на Фіг.1. Фіг.4. Зображений загальний вигляд установки для електронно-променевої зонної плавки. Запропонована установка для електроннопроменевої зонної плавки в космосі, складається з ростової вакуумної камери 1 з охолоджуваними стінками. У верхній частині камери розташована кришка 2, а нижня частина камери встановлена на опорній вакуумнощільній плиті 3 (Фіг.1). На стінках камери є два ілюмінатори 4, патрубок 6 (Фіг.3) для відкачки атмосфери з камери і натікач 5 (Фіг.1) системи для промивання інертним газом. Усередині ростової вакуумної камери розташовані зразок 7, електронно-променевий нагрівач 8 (Фіг.2), привід переміщення нагрівача у вигляді ходового гвинта 9 шарико-гвинтової передачі і компенсацій 5 83148 6 ної муфти 10, високовольтні проводи укладені в (Фіг.1) і привід обертання зразка 24 (Фіг.2) (при спіралі 12 (Фіг.1), а також привід обертання зразка необхідності). Ходовий гвинт 9 (Фіг.1) перетворює 11, каретка нагрівача 13 з високовольтними ізоляобертальний рух вала приводу в поступальний рух торами 14, які надійно забезпечують електричну каретки нагрівача. У випадку включення приводу ізоляцію нагрівача від установки в цілому, дві наобертання при частково розплавленій зоні зразок правляючі 15 (Фіг.2). має можливість обертатися з утримувачем 16 у Зразок 7 утримують у вер хньому 16 і нижньофланці 19 (Фіг.2). му 17 утримувачах (Фіг.2). Магнітні муфти 22 (Фіг.1) і 25 (Фіг.2), а також Нагрівач 8 виконаний у вигляді кільцевого кавіброізолюючі прокладки 23 (Фіг.1) і 26 (Фіг.2) обох тоду з танталового або вольфрамового дроту, приводів перешкоджають передачі вібрації від розташованого на електроізолюючих підтримувадвигунів і редукторів на зразок. чах в нержавіючому корпусі, що одночасно викоСистема для промивання інертним газом у нує функцію фокусуючих екранів і, крім цього, має процесі вакуумної відкачки працює наступним читеплоізолюючий екран 18 (Фіг.2). ном. Під час підготовки ростової вакуумної камери Верхній утримувач зразка 16 встановлений у до роботи (відкачка атмосфери) гелій з балона фланці 19 (Фіг.2), закріпленому на стійці 20 (Фіг.1), через натікач 5, що періодично відкривають і заі направляючих 15 (Фіг.2). кривають, подається в камеру. Після виходу камеНа нижній частині опорної плити 3 розташовари на робочий режим натікач 5 закривають, і подані привід переміщення нагрівача 21 з магнітною ча гелію припиняється (Фіг.1). При досягненні муфтою 22 і віброізолюючою прокладкою 23 необхідного вакуум у в ростовій вакуумній камері (Фіг.1), привід обертання зразка 24 з магнітною включається система автоматичного керування муфтою 25 і віброізолюючою прокладкою 26 технологічним процесом плавки. (Фіг.2), а також високовольтний блок 27 з високоПри виникненні нестаціонарних швидких провольтним ізолятором 28 (Фіг.1). Приводи і високоцесів зміни опору при плавці в ланцюзі анод-катод вольтний блок мають кільцеві вакуумні прокладки, електронно-променевого нагрівача, а також коротнаприклад, 29 (Фіг.1). Зовні ростової вакуумної ких замиканнях, інверторний блок 36 (Фіг.3) обмекамери встановлені джерело еталонного випроміжує рівень струму в ланцюзі анод-катод. нювання 30, відеокамера 31, корпус системи керуСистема контролю висоти зони і температури вання 32 з модулем відеоадаптера 33 і процесопрацює наступним чином. ром 34, відеоконтрольний прилад 35, а також Оптична система відеокамери 31 (Фіг.3), що інверторний блок джерела живлення 36 (Фіг.3). включає світлофільтр і об’єктив, формує зобраУстановка працює наступним чином. ження зразка 7 (Фіг.2) у площині світлоелектричноЗразок 7, призначений для плавлення, го перетворювача, з виходу якого відеосигнали, центрують по осьовому отворі і фіксують радіальпропорційні освітленню, надходять на вхід модуля ними штифтами у вер хньому утримувачі 16. Нижвідеоадаптера 33 (Фіг.3), де вони перетворюються ній кінець зразка утримують за рахунок щільної в цифрову форму. посадки в молібденових пружинах (8шт.) нижнього Висота зони плавлення пропорційна висоті її утримувача 17 (Фіг.2). Зразок, попередньо закріпзображення на світлоелектричному перетворювалений у верхньому утримувачі, вставляють через чі, яка визначається як відстань між точками, сигвідкриту кришку 2 (Фіг.1) в нижній утримувач. При нали яких відповідають заданому рівню. закритій кришці ростову вакуумну камеру відкачуА при вимірі температури в площині світлоють через патрубок 6 (Фіг.3) до необхідного вакууелектричного перетворювача одночасно формуму. ються зображення зразка з розплавленою зоною і Зразок 7 є анодом, а нагрівач 8 (спіраль) - каеталонним джерелом з наступним порівнянням тодом (Фіг.2). У нагрівачі формується дисковий їхні х сигналів. концентрований пучок електронів, що бомбардує Візуальний контроль за ходом плавлення здійповерхню зразка, у результаті чого утворюється снюється по екрану відео-контрольного приладу вузька розплавлена зона. 35, підключеного до процесора 34 системи керуНа нагрівач висока напруга і напруга накалу вання 32 (Фіг.3). спіралі подаються з високовольтного блоку 27 по Описана установка реалізована в Інституті високовольних проводах 12 (Фіг.1). Вводи високоелектрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України у вольтного проводу ізольовані від опорної плити 3 і вигляді макету експериментального по льотного корпусу пристрою в цілому високовольтним ізоляустаткування (Фіг.4) з перспективою використання тором 28 (Фіг.1). її штатного варіанта на борту космічної станції. Після утворення розплавленої зони на зразку включають привід переміщення нагрівача 21 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83148 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601