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      碲鋅鎘晶體材料貯存系統(tǒng)設(shè)計與實驗

      2021-10-26 07:19:46羅亞南郭關(guān)柱李照存
      關(guān)鍵詞:石英管制成品艙室

      羅亞南, 郭關(guān)柱, 李照存

      (1.云南農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院, 云南 昆明 650201; 2.昆明沃特爾機電設(shè)備有限公司, 云南 昆明 650204)

      0 引言

      碲鋅鎘、鍺、砷化鎵等單晶材料是遠紅外探測器或輻射探測器發(fā)展的重要材料, 單晶材料具有特定的光電性質(zhì),適合制作高性能室溫γ 或X 射線探測器,而碲鋅鎘更是紅外探測器材料碲鎘汞的理想襯底材料, 上述單晶材料制備時,需要經(jīng)過提純、封裝、混合、生長、檢測和切片等系列工序,制造出可使用器件[1-3]。

      制備過程中,需多次將原材料或單晶成品取出,進入下個工序前,取出的材料要短時或長時放置,傳統(tǒng)做法是將其放置于普通容器內(nèi)。實際應(yīng)用中,傳統(tǒng)做法存在兩個顯著缺點:一是受空氣接觸影響,材料會發(fā)生氧化污染,其純度會顯著降低;二是不便于大量貯存,不利于觀察狀態(tài)或貯存標識情況。

      材料純度是碲鋅鎘晶體制備品質(zhì)的決定性因素之一,通常采用精餾方法將純度5N 碲、鋅或鎘提純到6N 甚至更高,再采用區(qū)熔提純法提純到7N 或更高,才能為高品質(zhì)碲鋅鎘晶體制備提供保障[4]。 然而,一旦接觸空氣,材料就會被慢慢氧化,嚴重影響碲鋅鎘晶體的制備品質(zhì)。

      為了解決上述問題, 設(shè)計出一種碲鋅鎘晶體材料貯存系統(tǒng),將晶體材料放置在石英管內(nèi)貯存,通過真空管泵將石英管抽取真空;經(jīng)貯存系統(tǒng)連接的真空閥和真空表,監(jiān)測石英管內(nèi)真空情況;透過透明的石英管,容易觀察晶體材料的貯存情況, 從而實現(xiàn)晶體材料的防氧化且可視化貯存。 該貯存系統(tǒng)還可用于貯存其他晶體材料。

      1 貯存系統(tǒng)的設(shè)計要求

      貯存系統(tǒng)主要用于貯存高純度碲、鋅、鎘或碲鋅鎘原材料、半成品或成品,避免加工過程或加工完成后,材料與空氣中氧氣長時間接觸,造成材料氧化污染[5]。另外,貯存系統(tǒng)應(yīng)可分類、 分批貯存大量晶體制備原材料或晶體材料,且便于觀察。

      為實現(xiàn)上述目標,對貯存系統(tǒng)提出如下技術(shù)要求:①貯存艙應(yīng)分為多艙室,每個艙室均透明可見,以便于觀察艙室內(nèi)晶體制備原材料或晶體材料貯存情況。 每個艙室可獨立啟閉,啟閉時不影響其他艙室真空度;②真空度應(yīng)能達到10-1Pa 以下, 以減輕殘余氧氣對晶體制備原材料或晶體材料氧化污染影響;③具備泄漏顯示和報警功能,當泄漏導致石英管內(nèi)氣壓升高到2×10-1Pa 時, 自動啟動真空泵抽走相應(yīng)貯存艙室泄漏空氣。

      2 貯存系統(tǒng)設(shè)計方案

      依據(jù)貯存系統(tǒng)的技術(shù)要求, 設(shè)計的碲鋅鎘晶體材料貯存系統(tǒng)見圖1。

      圖1 中,原材料、半制成品或制成品放置在石英管材料貯存艙內(nèi),貯存艙根據(jù)需要由多排石英管組成,材料貯存艙依靠石英管左支撐發(fā)蘭和石英管右支撐發(fā)蘭支撐著,每根石英管材料貯存艙的右端連接著石英管支撐后端蓋,石英管支撐后端蓋通過固定螺栓固定在石英管右支撐發(fā)蘭上,石英管支撐后端蓋的右端通過后密封端蓋密封。 石英管材料貯存艙的左端連接著石英管支撐前端蓋,石英管支撐前端蓋固定有石英管連接法蘭,石英管連接法蘭上安裝的密封圈實現(xiàn)石英管材料貯存艙左端密封。每根石英管材料貯存艙左端的石英管連接法蘭經(jīng)管路連接到真空過渡艙和氮氣貯氣瓶,真空管路的中間分別連接有真空壓力表、泄漏觸發(fā)器、開關(guān)閥、真空抽氣主開關(guān)閥和氮氣開關(guān)閥,任意1 根石英管材料貯存艙的連接都是相同的。 真空過渡艙通過真空泵連接管連接到真空泵。

      按照圖1 系統(tǒng)原理設(shè)計的貯存系統(tǒng)有很多種,圖2 是一種碲鋅鎘晶體材料貯存系統(tǒng)常用的貯存艙室。該貯存艙室能擺放6 排3 列石英管, 每根石英管內(nèi) 徑 Φ140mm,長1200mm。

      圖1 貯存系統(tǒng)原理圖

      圖2 中,貯存時,打開后密封端蓋,原材料、半制成品或制成品放置在石英管材料貯存艙內(nèi),固定好后,關(guān)閉密封端蓋。 打開相應(yīng)的開關(guān)閥、真空抽氣主開關(guān)閥,關(guān)閉氮氣開關(guān)閥,啟動真空泵,對石英管材料貯存艙進行抽真空。 觀察真空壓力表,當石英管材料貯存艙內(nèi)腔達到需要的真空度時,關(guān)閉相應(yīng)的開關(guān)閥、真空抽氣主開關(guān)閥,停止真空泵。

      圖2 貯存艙室外形

      長期貯存過程中,如果石英管材料貯存艙內(nèi)腔出現(xiàn)泄漏, 泄漏觸發(fā)器的狀態(tài)顯示閥壓力升高,輸出觸發(fā)信號,控制器控制報警燈閃爍報警,經(jīng)真空泵控制電纜控制啟動真空泵抽真空,見圖3,從而始終使碲鋅鎘晶體貯存石英管保持真空狀態(tài)。

      圖3 貯存控制系統(tǒng)

      需要從石英管材料貯存艙內(nèi)取出材料時,先打開氮氣開關(guān)閥、開關(guān)閥,向相應(yīng)的石英管材料貯存艙充入氮氣,使石英管材料貯存艙內(nèi)壓力與大氣壓力相當,再開啟密封端蓋取出材料。 采取這種方法,一方面容易打開密封端蓋, 另一方面,防止不取出的材料接觸空氣中氧氣,最大限度保護材料品質(zhì)。

      3 貯存系統(tǒng)實驗

      碲鋅鎘晶體材料貯存系統(tǒng)實驗包括泄漏性實驗和功能性實驗兩種。泄漏性實驗時,啟動真空泵,把貯存艙室內(nèi)18 根石英管內(nèi)腔全部抽取真空,關(guān)閉每根石英管真空腔進出口連接管路開關(guān)閥, 由石英管連接的真空表觀察48h 內(nèi)壓力變化情況,未出現(xiàn)壓力升高現(xiàn)象。開啟碲鋅鎘晶體材料貯存控制系統(tǒng), 人為松開某根石英管的真空管路連接接頭, 貯存控制系統(tǒng)會自動報警并啟動真空泵,抽走泄漏氣體。

      4 結(jié)論

      實驗結(jié)果表明, 本文中設(shè)計的碲鋅鎘晶體材料貯存系統(tǒng),解決了原材料、半制成品或制成品的真空貯存裝置泄漏難于發(fā)現(xiàn)且不能及時報警提醒的技術(shù)問題。 利用該貯存系統(tǒng)技術(shù),當真空貯存裝置出現(xiàn)泄漏時,會觸發(fā)泄漏觸發(fā)器,一方面發(fā)出報警信號,另一方面還可自動控制啟動真空泵抽真空,防止泄漏進入的空氣使材料氧化變質(zhì)。

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