Способ выращивания кристаллов из раствора и устройство для осуществления

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов, предназначенных для использования в оптико-электронных устройствах. Способ выращивания кристаллов из пересыщенного раствора включает испарение растворителя с поверхности пересыщенного раствора, находящегося внутри кристаллизационного сосуда, конденсацию паров растворителя в верхней части сосуда, перетекание образовавшегося конденсата в нижнюю зону сосуда, при этом конденсат растворителя, собранный в верхней части кристаллизационного сосуда, основным насосом подают в расположенный вне сосуда контейнер, заполненный кристаллическим материалом, что обеспечивает постепенное контролируемое растворение материала, образовавшийся раствор из контейнера подают в зону кристаллизационного сосуда, заполненную пересыщенным раствором, часть раствора дополнительным насосом из верхней части контейнера по байпасной линии вновь направляют в нижнюю часть контейнера, в процессе выращивания кристалла обеспечивают контроль за изменением массы кристаллического вещества, которое находится внутри контейнера, причем по мере израсходования кристаллического вещества в контейнере в результате его растворения производят повторную загрузку контейнера кристаллическим материалом, не прерывая процесс выращивания кристалла. Изобретение обеспечивает получение качественных кристаллов при эффективном контроле их роста без сложного оборудования. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемая группа изобретений относится к области техники, связанной с получением искусственных кристаллов, предназначенных для использования в оптико-электронных устройствах, например кристаллов дигидрофосфатов калия и аммония (КДР и АДР) или триглицин сульфата (ТГС).

Такие кристаллы можно выращивать при постоянной температуре способом отбора растворителя. При этом возможно использование различных способов создания пересыщенных растворов, в частности - отбор конденсата растворителя, массоперенос вещества из зоны растворения в зону роста.

Известен способ выращивания кристаллов (Патент Японии JP 3170390. "Method for growing crystal and device for therefor", МПК G30B 7/08, опубл. 1991.07.23), в соответствии с которым массоперенос вещества осуществляется за счет растворения кристаллического вещества, размещенного в верхней части кристаллизатора, которая имеет более высокую температуру и отделена от нижней, имеющей более низкую температуру. При функционировании кристаллизатора более насыщенный раствор по вертикальному каналу поступает в нижнюю часть, где расположен выращиваемый кристалл.

Недостатком этого способа является то, что в нем отсутствует мешалка и раствор не перемешивается, причем раствор поступает преимущественно на избранные грани. Концентрация кристаллического вещества по объему неравномерная, что отрицательно сказывается на качестве выращиваемого кристалла.

Кроме того, известен способ (Авторское свидетельство СССР №425420. «Способ выращивания дигидрофосфата калия», МПК B01J 17/04, опубликовано: 30.08.1982), в соответствии с которым массоперенос осуществляется введением в кристаллизатор заранее приготовленного ненасыщенного раствора взамен отобранного растворителя.

Недостатком данного способа является необходимость в применении в нем сложного, дорогостоящего в изготовлении механизма для отбора растворителя и введения ненасыщенного раствора. Следует также отметить, что необходима отдельная операция по приготовлению ненасыщенного раствора для подпитки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ выращивания кристаллов из пересыщенного раствора, включающий испарение растворителя с поверхности пересыщенного раствора, находящегося внутри кристаллизационного сосуда, конденсацию паров растворителя в верхней части сосуда, перетекание образовавшегося конденсата в нижнюю зону сосуда (Авторское свидетельство СССР №132615. «Кристаллизатор для выращивания кристаллов из раствора», МПК C30B 7/00, опубл. в «Бюллютене изобретений» №20 за 1960 г.).

В соответствии с этим авторским свидетельством, кристаллическое вещество размещено внутри кристаллизатора и отделено от ростовой зоны аксиальными цилиндрами. Массоперенос осуществляется в результате того, что испарившиеся с поверхности раствора пары растворителя конденсируются с помощью конденсатора, ожиженный растворитель стекает по стенке вниз в зону, где размещено кристаллическое вещество и растворяет его. Образовавшийся раствор перетекает в соседний аксиальный сосуд, а из него в следующий аксиальный сосуд, где отдает избыток вещества растущему кристаллу, а растворитель вновь испаряется с поверхности.

Недостатком прототипа является то, что все функции работы кристаллизатора, а именно - точность поддержания температуры, ее равномерное распределение по объему, скорость вращения мешалки, перемешивание раствора, перетекание конденсата к веществу, размещенному на дне, перенос вещества к кристаллу - все эти функции взаимосвязаны, поскольку все конструктивные элементы установки находятся внутри объема рядом друг с другом, включая перегородки из аксиальных цилиндров. В результате этого изменение одного параметра сразу сказывается на других, поэтому процессом сложно управлять. Таким образом, сложность управления процессом роста кристаллов приводит к снижению их качества.

Задачей, решаемой в рамках предлагаемого способа, является создание технологически простой последовательности операций по выращиванию кристаллов, которая, не требуя сложного оборудования, обеспечивает эффективный контроль процесса роста кристаллов.

Техническим результатом является повышение качества выращиваемых кристаллов.

Поставленная задача и необходимый технический результат достигаются тем, что в способе выращивания кристаллов из пересыщенного раствора, включающем испарение растворителя с поверхности пересыщенного раствора, находящегося внутри кристаллизационного сосуда, конденсацию паров растворителя в верхней части сосуда, перетекание образовавшегося конденсата в нижнюю зону сосуда, конденсат растворителя, собранный в верхней части кристаллизационного сосуда, основным насосом подают в расположенный вне сосуда контейнер, заполненный кристаллическим материалом, что обеспечивает контролируемое постепенное растворение материала. Образовавшийся раствор из контейнера подают в зону кристаллизационного сосуда, заполненную пересыщенным раствором, часть раствора дополнительным насосом из верхней части контейнера по байпасной линии вновь направляют в нижнюю часть контейнера, в процессе выращивания кристалла обеспечивают контроль за изменением массы кристаллического вещества, которое находится внутри контейнера. По мере израсходования кристаллического вещества в контейнере в результате его растворения производят повторную загрузку контейнера кристаллическим материалом, не прерывая процесс выращивания кристалла.

Известно устройство для выращивания кристаллов из раствора, содержащее кристаллизационный сосуд, в нижней части которого находится пересыщенный раствор, а верхняя часть выполнена в виде выпуклой крышки, выполняющей функцию конденсатора паров растворителя и обеспечивающей стекание полученного конденсата по наклонной поверхности вниз ((Авторское свидетельство СССР №132615. «Кристаллизатор для выращивания кристаллов из раствора», МПК C30B 7/00, опубл. в «Бюллютене изобретений» №20 за 1960 г.).

В соответствии с этим авторским свидетельством, кристаллическое вещество размещено непосредственно внутри кристаллизатора и отделено от ростовой зоны аксиальными цилиндрами, причем кристаллическое вещество расположено на дне кристаллизатора смежно с нагревателем и на значительном расстоянии от зоны роста кристалла. Такое конструктивное решение, несмотря на его сложность, не позволяет эффективно контролировать температуру в зоне роста кристалла и обеспечить полное растворение кристаллического вещества.

Задачей, решаемой при создании предлагаемого устройства, является упрощение конструкции и обеспечение полного растворения кристаллического вещества.

Поставленная задача и необходимый технический результат достигаются тем, что в устройстве, содержащем кристаллизационный сосуд, в нижней части которого находится пересыщенный раствор, а верхняя часть выполнена в виде выпуклой крышки, выполняющей функцию конденсатора паров растворителя, и обеспечивающей стекание полученного конденсата по наклонной поверхности вниз, в нижней части выпуклой крышки сосуда выполнен кольцевой сборник конденсата, который через входную линию, в которой установлен основной насос, подключен к нижней части контейнера, заполненного кристаллическим веществом. При этом верхняя часть контейнера подключена через выходную линию к части кристаллизационного сосуда, заполненной пересыщенным раствором, верхняя и нижняя части контейнера соединены между собой байпасной линией, в которой установлен дополнительный насос, причем контейнер размещен на устройстве, обеспечивающем контроль за изменением массы кристаллического материала. В качестве основного и дополнительного насосов применены перестальтические насосы, а в качестве устройства, обеспечивающего контроль за изменением массы кристаллического материала, находящегося в контейнере, применены аналитические весы. Для получения смешанных кристаллов, к кристаллизатору могут быть подключены одновременно несколько контейнеров, заполненных различными кристаллическими материалами.

Сущность изобретения поясняется схемой, представленной на фигуре.

Кристаллизатор, в котором реализуется предлагаемый способ, содержит кристаллизационный сосуд 1, верхняя часть которого выполняет функцию конденсатора 2 растворителя. В нижней части конденсатора находится сборник 3 конденсата, выполненный в виде кармана. Отдельно от кристаллизатора 1 расположен контейнер 4 с кристаллическим веществом 5 внутри. Контейнер снабжен крышкой 6 и имеет входное отверстие 7, через которое поступает конденсат, и выходное отверстие 8, через которое из контейнера отводят полученный раствор. Сборник конденсата 3 подключен гидравлически к полости контейнера 4 посредством основного канала 9. Верхняя часть контейнера 4 гидравлически подключена к полости кристаллизатора 1, заполненной раствором, и к нижней части контейнера посредством обратного канала 10. Участок канала 10 между верхней и нижней частями контейнера 4 выполняет функцию байпасной линии. В основном канале 9 установлен основной насос 11, а в обратном канале на его участке между верхней и нижней частями контейнера 4 (в байпасной линии) установлен дополнительный насос 12. Контейнер 4 размещен на устройстве 13, контролирующем его массу. Затравку кристалла 14 размещают на дне кристаллизатора. Для облечения раскрытия функционирования устройства байпасная линия обозначена позицией 15.

Функционирование устройства, в котором реализуется предлагаемый способ, осуществляется следующим образом.

В контейнер 4 загружают кристаллическое вещество 5, после чего контейнер 4 герметично закрывают крышкой 6 и устанавливают на устройстве 13, с помощью которого контролируют его массу, например, на аналитических весах.

Затем включают основной насос 11, в качестве которого используют, например, перистальтический насос. Насос должен иметь регулируемую производительность от 0 (ноль) миллилитров за сутки до нескольких сотен миллилитров за сутки. Маленькую производительность устанавливают вначале роста кристалла на затравке 14, когда кристалл имеет небольшие размеры. По мере роста кристалла производительность насоса увеличивают. Сконденсированный с помощью конденсатора 2 растворитель собирают в сборник конденсата 3 и по основному каналу 9, основным, например, перестальтическим насосом 11 через входное отверстие 7 подают внутрь контейнера 4. Конденсат растворяет соответствующее количество кристаллического вещества 5 и образовавшийся раствор через выходное отверстие 8 по обратному каналу 10 перемещается в кристаллизационный сосуд 1.

Для того чтобы кристаллическое вещество эффективнее растворялось внутри контейнера, часть раствора из верхней части контейнера 4 через отверстие 8 по байпасной линии 15 обратного канала 10 дополнительным насосом 12, например перистальтическим насосом подают через отверстие 7 в нижнюю часть контейнера 4. Таким образом, дополнительный перестальтический насос 12 фактически выполняет функцию мешалки, обеспечивая интенсивную циркуляцию раствора внутри контейнера 4.

Осуществление регулирования процесса выращивания кристаллов с помощью аналитических весов 13 осуществляют следующим образом. Оператор задает суточную скорость роста кристалла. По справочным данным плотности и кривым растворимости рассчитывается прирост массы кристалла, например, за каждые сутки. На основном перестальтическом насосе 11 устанавливают такую скорость подачи конденсата растворителя в контейнер, размещенный на весах, которая обеспечивает растворение рассчитанной массы вещества. Эта масса измеряется аналитическими весами с точностью до 0,1 г по изменению массы контейнера. Если измеренное весами значение массы вещества, перенесенного из контейнера в кристаллизатор, не соответствует рассчитанной оператором, то вручную, или автоматически изменяют скорость основного перестальтического насоса.

Пример. Данные по изменению массы вещества (КДР), находящегося в контейнере, при подаче в него конденсата за 4 часа при скорости подачи перестальтического насоса 120 мл/сутки.

Время (часы)	13-00	13-30	14-00	14-30	15-00	15-30	16-00	16-30	17-00
Масса (грамм)	1511,2	1511,7	1511	1510,9	1510,5	1510	1510,2	1509,7	1509,3

Если стоит задача получения в кристаллизаторе смешанных кристаллов, то к кристаллизатору могут быть подключены одновременно несколько контейнеров, заполненных различными кристаллическими материалами.

Проведенные эксперименты подтвердили возможность выращивания кристаллов высокого качества при использовании настоящего способа, реализуемого в установке, имеющей предлагаемую конструкцию.

1. Способ выращивания кристаллов из пересыщенного раствора, включающий испарение растворителя с поверхности пересыщенного раствора, находящегося внутри кристаллизационного сосуда, конденсацию паров растворителя в верхней части сосуда, перетекание образовавшегося конденсата в нижнюю зону сосуда, отличающийся тем, что конденсат растворителя, собранный в верхней части кристаллизационного сосуда, основным насосом подают в расположенный вне сосуда контейнер, заполненный кристаллическим материалом, что обеспечивает постепенное контролируемое растворение материала, образовавшийся раствор из контейнера подают в зону кристаллизационного сосуда, заполненную пересыщенным раствором, часть раствора дополнительным насосом из верхней части контейнера по байпасной линии вновь направляют в нижнюю часть контейнера, в процессе выращивания кристалла обеспечивают контроль за изменением массы кристаллического вещества, которое находится внутри контейнера, причем по мере израсходования кристаллического вещества в контейнере в результате его растворения производят повторную загрузку контейнера кристаллическим материалом, не прерывая процесс выращивания кристалла.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее кристаллизационный сосуд, в нижней части которого находится пересыщенный раствор, а верхняя часть выполнена в виде выпуклой крышки, выполняющей функцию конденсатора паров растворителя и обеспечивающей стекание полученного конденсата по наклонной поверхности вниз, отличающееся тем, что в нижней части выпуклой крышки сосуда выполнен кольцевой сборник конденсата, который через входную линию, в которой установлен основной насос, подключен к нижней части контейнера, заполненного кристаллическим веществом, верхняя часть контейнера подключена через выходную линию к части кристаллизационного сосуда, заполненной пересыщенным раствором, верхняя и нижняя части контейнера соединены между собой байпасной линией, в которой установлен дополнительный насос, причем контейнер размещен на устройстве, обеспечивающем контроль за изменением массы кристаллического материала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве основного и дополнительного насосов применены перестальтические насосы.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве устройства, обеспечивающего контроль за изменением массы кристаллического материала, находящегося в контейнере, применены аналитические весы.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что, с целью получения смешанных кристаллов, к кристаллизатору подключены одновременно несколько контейнеров, заполненных различными кристаллическими материалами.