真空环境中使用的环形电子束无坩埚区域熔炼装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及熔炼设备技术领域，具体地说是一种真空环境中使用的环形电子束无坩祸区域熔炼装置。
【背景技术】
[0002]目前，高温结构材料单晶或柱状晶工作温度的升高，对其制备工艺和装置提出更高要求，高温度梯度是通过熔炼方法制备高温结构材料单晶或柱状晶的必要条件，同时，为了提升半导体材料的光电转换效率，对半导体单晶或多晶的制备及提纯具有重要意义，但常规的熔炼技术已经满足高纯度材料的制备；电子束熔炼具有熔炼温度高，温度梯度高，凝固速率精确可控，在真空中进行可用于材料的精炼提纯等特点，已广泛应用于材料的熔炼领域；但是目前存在的电子束熔炼装置具有结构复杂，带有坩祸等缺点，增加了设备制造成本，降低了待制备或待提纯材料的性能，并且对于单晶材料的制备和提纯往往是两套独立系统，生产效率较低一种真空环境中使用的环形电子束无坩祸区域熔炼装置。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、制造成本低、生产效率高、性能稳定、熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率精确可控的真空环境中使用的环形电子束无坩祸区域熔炼装置。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种真空环境中使用的环形电子束无坩祸区域熔炼装置，设有真空室，其特征在于所述真空室外设有电控系统，所述真空室内设有环形电子束发生器、底座、左立柱、右立柱、横梁、试样夹持机构和驱动装置，所述试样夹持机构是由下夹头和上夹头组成，所述驱动装置包括伺服电机、旋转丝杠、丝母和滑道，所述底座下端与真空室固定连接，上端中部固定有下夹头和伺服电机，所述底座两端对应固定有左立柱和右立柱，所述左立柱和右立柱顶端经横梁固定连接，，所述左立柱和右立柱相对应的内侧面上分别设有滑道，所述左立柱和右立柱一侧分别设有旋转丝杠，所述横梁下端中心设有上夹头，所述上夹头与下夹头相对应，以利于夹持熔炼试样，所述旋转丝杠上端经轴承与横梁固定连接，下端与固定在底座上的伺服电机固定连接，所述旋转丝杠上螺纹连接有丝母，所述环形电子束发生器与丝母固定连接，并经所述环形电子束发生器的壳体上设有的导向滑轨与左立柱和右立柱上的滑道滑动连接，所述环形电子束发生器的壳体内设有灯丝阴极和静电透镜，所述灯丝阴极与电控系统相连接，环形电子束发生器的灯丝阴极在电控系统的控制下射出的电子束通过静电透镜同时聚焦在试样的两侧，不但保证了熔炼温度和温度梯度，而且，还大大提高了生产效率，同时，还具有凝固速率精确可控的作用。
[0005]本发明所述电控系统包括直流电源、电源逆变器、高压隔离变压器和整流滤波电路，所述电源逆变器是由阴极控制逆变电路和高压逆变控制电路组成，所述高压隔离变压器是由降压变压器和升压变压器组成，当直流电源为高压电源时，所述直流电源通过阴极控制逆变电路的输出电压与降压变压器的输入绕组相连接，所述降压变压器的输出绕组与整流滤波电路相连接，通过整流滤波电路整流后与电子束发生器的两端相连接，以使直流电源对输入的高电压自动进行降压控制，显著提高了环形电子束熔炼的稳定性；当直流电源为低电压时，所述直流电源通过高压逆变控制电路的输出电压与升压变压器的输入绕组相连接，升压变压器的输出绕组与整流滤波电路相连接，通过整流滤波电路整流滤波后的输出电压的负高压端与电子束发生器的阴极相连接，输出电压的证高压端与电子束发生器的阳极相连接，并接地，以使直流电源对输入的低电压自动进行升压控制，显著提高了环形电子束熔炼的稳定性。
[0006]本发明所述上夹头是由螺柱和顶套构成，所述螺柱上端与横梁螺纹连接，下端与顶套固定连接，以方便对试样进行安装。
[0007]本发明所述下夹头是由三个以上的弹片圆周阵列而成，以达到方便夹持试样的作用。
[0008]本发明所述所述环形电子束发生器的电子束束流的夹角为80-120°，以利于对试样的同一圆周进行熔炼的同时，还能防止在高真空环境中的挥发性物质进入电子束枪而污染灯丝。
[0009]本发明所述灯丝阴极形状为环形，以利于对熔炼棒料进行均匀加热，并且，在两长度方向上形成单向温度梯度，避免棒料在径向方向产生温度梯度，显著提高了熔炼温度和温度梯度，并具有凝固速率精确的作用。
[0010]本发明所述电源逆变器采用晶体管电源逆变器，所述晶体管电源逆变器的升压变压器的输入直流电压仏为20~50V，输出高频方波电压U 2为40~100V，频率f为20~40kHz，所述升压变压器的线圈匝数比为1::250~1:600，所述降压变压器线圈匝数比为250:1~600:1，所述降压变压器的高压输出端Ua输出范围为10~60kV。
[0011]本发明所述所述电子束发生器的电子束束流范围为I mA ~200mA，以达到能够熔炼各种难熔金属及其合金、金属间化合物、复合材料、半导体材料及其单晶的制备和提纯的作用。
[0012]本发明所述电子束发生器的壳体形状可采用圆盘状，所述壳体是由上壳体和下壳体密封连接而成，所述壳体为无磁性导电材料制成，所述壳体的材质优选采用奥氏体不锈钢、铜或钛中的任意一种，所述壳体直径为10~100_，所述电子束发生器的阴极位于壳体内部，壳体与阴极之间采用陶瓷材质，以达到绝缘的作用。
[0013]本发明所述灯丝阴极可采用直径为0.7-3mm的钽丝、钨丝，以达到使用寿命长的作用。
[0014]本发明由于采用上述结构，具有结构新颖、制造成本低、生产效率高、性能稳定、熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率精确可控等优点。
【附图说明】
[0015]
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中电控系统的原理框图。
[0016]附图标记:环形电子束发生器1、2、底座3、左立柱4、右立柱5、横梁6、驱动装置7、下夹头8、上夹头9、旋转丝杠10、直流电源11、电源逆变器12、高压隔离变压器13和整流滤波电路14、阴极控制逆变电路15、高压逆变控制电路16、高压隔离变压器13、降压变压器17、升压变压器18。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明进一步说明:
如附图所示，一种真空环境中使用的环形电子束无坩祸区域熔炼装置，设有真空室，其特征在于所述真空室外设有电控系统，所述真空室内设有环形电子束发生器1、2、底座3、左立柱4、右立柱5、横梁6、试样夹持机构和驱动装置7，所述试样夹持机构是由下夹头8和上夹头9组成，所述驱动装置包括伺服电机、旋转丝杠10、丝母和滑道，所述底座3下端与真空室固定连接，上端中部固定有下夹头9和伺服电机，所述底座3两端对应固定有左立柱4和右立柱5，所述左立柱4和右立柱5顶端经横梁6固定连接，，所述左立柱4和右立柱5相对应的内侧面上分别设有滑道，所述左立柱和右立柱一侧分别设有旋转丝杠，所述横梁6下端中心设有上夹头9，所述上夹头9与下夹头8相对应，以利于夹持熔炼试样，所述旋转丝杠上端经轴承与横梁6固定连接，下端与固定在底座3上的伺服电机固定连接，所述旋转丝杠上螺纹连接有丝母，所述环形电子束发生器1、2分别与丝母固定连接，并经所述环形电子束发生器的壳体上设有的导向滑轨与左立柱3和右立柱4上的滑道滑动连接，所述环形电子束发生器的壳体内设有灯丝阴极和静电透镜，所述灯丝阴极与电控系统相连接，环形电子束发生器1，2的灯丝阴极在电控系统的控制下射出的电子束通过静电透镜同时聚焦在试样的两侧，不但保证了熔炼温度和温度梯度，而且，还大大提高了生产效率，同时，还具有凝固速率精确可控的作用。
[0018]本发明所述电控系统包括直流电源11、电源逆变器12、高压隔离变压器13和整流滤波电路14，所述电源逆变器12是由阴极控制逆变电路15和高