专利名称：一种束源炉断电或误操作用的保护系统、构建方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可靠的束源炉断电或误操作保护装置，更确切地说，本发明提供一种对在材料生长(如分子束外延)中用于加热源材料的束源炉及其使用中的坩埚进行有效保护的装置，以确保束源炉及其坩埚在断电或误操作时的安全。这些原材料在温度变化特别是材料的液—固相变时会产生较大形变，从而使束源炉坩埚受到很大应力，如不采取措施加以保护，常使坩埚受损开裂并损坏束源炉。本发明属于材料生长及其相关设备技术领域。
背景技术：
自上世纪六十年代各种新型材料特别是半导体材料获得广泛应用以来，材料生长技术已有了长足的发展，具有精确控制能力、适用于生长复杂微结构的分子束外延生长技术已开始广泛应用，各种商品化的生长设备也已推向市场。对分子束外延(MBE)而言，根据所生长材料的不同，其束源炉中需经加热产生分子束的材料的种类十分繁多，其中一些材料在加热及冷却过程中会产生较大的形变，进而对坩埚造成很大的应力，尤其是对于具有热缩冷胀的倒膨胀系数的材料，在材料出现液—固相变时此现象表现得特别严重，常会引起价值近万元的坩埚开裂损坏以及装在坩堝内的价格昂贵的超纯金属的报废，严重时料液的漏出还会导致价值达数十万元的束源炉的损坏报废，III-V族化合物半导体生长中最常用的铝(Al)和鎵(Ga)材料就是典型的实例。因此，人们在对这些材料进行加热或冷却时往往需要采用一些特殊的办法和特别的照料措施，最常用的是采用极缓慢的升温或降温速率，以确保升温或降温过程中应力得以释放，从而维持束源炉及其坩埚的安全及保证其一定的寿命。然而，偶然出现的不可预见的断电故障以及一些人为的误操作常会导致这些坩埚乃至束源炉的损坏报废，这是因为，处于高温状态的束源炉如遇突然断电，则其必然会以很大的降温速率降温，生长过程中的误操作以及一些连锁故障等也会引起束源炉断电，这些故障如不能很快排除并使系统恢复到正常状态，必然导致这些坩埚乃至束源炉的损坏报废而造成几万元至几十万元的経济损失。此外，由于此类材料的升温及降温过程十分缓慢，一般均需要数小时的时间，且每日频繁升温及降温也会影响到束源炉及坩埚的寿命，因此一般生长结束后束源炉均维持在高温恒温状态以便次日能较快恢复生长，其间一般有10小时以上的无人照料时间(周末等可达数十小时)，这也增加了此类故障出现的几率。由于MBE系统中使用的束源炉及其坩埚相当贵(一只坩埚一般需近万元，束源炉可达数十万元)，且其中装入的超高纯原料(如6.5N Al)更加昂贵(24克6.5NAl价值近三万元)，坩埚损坏后原料也无法再用，这样每次故障的代价是相当高的，此类故障引起的损失平均每年可达数十万元，且对工作于超高真空状态的MBE系统，排除故障及恢复系统一般需两周以上的时间，造成的损失十分严重。
为解决这些问题，人们已采用了一些方法，其中最常用的是对整个MBE系统使用大功率的不间断电源(UPS)，然而，这也会带来其他问题。首先，如需保证功率达十数KW的整个MBE系统能在不断电条件下工作数小时以上，此大功率的UPS必然十分庞大，价格昂贵，需占用单独的空间且需经常维护，维护费用也很高，即使如此，也不能完全保证在较长时间无人照料情况下系统的安全；对此问题的另一解决方案是对一些关键的束源炉及其相关的控制系统及计算机应用UPS，这样UPS可相对小些，但需对MBE系统进行特定的配线改造及控制系统更新，并需设计出能针对各种复杂情况的可靠的控制软件。遗憾的是，即使采用这样的UPS系统，維持时间也相当有限，，也不能解决一些人为的误操作及连锁反应引起的束源炉断电导致的坩埚及束源炉损坏，此外UPS系统本身的问题也将使整个系统的可靠性下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠的束源炉断电或误操作用的保护系统、构建方法及应用。所提供的保护系统是可靠的、普适的，且其成本低，也不需经常维护。本发明提供的保护系统除可用于材料的MBE(分子束外延)生长系统外，也适用于其他在断电或误操作状态下需要保证有关高温部件缓慢降温的系统。本发明提供的保护系统包括三个子系统，即用于在断电状态下对束源炉进行缓慢降温的储能电源部分；对束源炉的工作状态进行自动切换和对蓄电池进行充电控制的继电控制部分以及作为充电电源的AC/DC变换器。储能电源部分用于在断电情况下可继续为束源炉提供加热电源，并利用铅酸蓄电池的放电特性使束源炉自动缓慢降温；继电控制部分用于自动判断和切换系统的工作状态，同时对蓄电池进行充放电控制；AC/DC转换部分用以为相关控制电路提供电源，同时也可作为蓄电池的充电电源。本发明所提供的系统中变换器的AC端外接交流电源，变换器的DC端与自动切换和充电控制的继电控制子系统相连接，储能电源则与充电控制的继电控制部分相连接。
一、储能电源部分储能电源部分的主体为一个容量规格与单个束源炉相匹配的小型免维护铅酸蓄电池，此外还包括用于负载调整的可变匹配电阻，充电限流电阻及防回流二极管以及蓄电池接入开关和指示灯等。蓄电池用于为断电后或误操作状态下束源炉的缓慢降温提供电源，注意到铅酸蓄电池放电时电压降低较缓慢平稳的特点，例如，在0.15C放电条件下其电压降低的速率仅约5％/h，在定负载条件下对应的功率降低约10％/h，因此只要选择容量与束源炉相匹配的蓄电池即可自然满足其缓慢降温的要求。可变匹配电阻主要用于对状态切换后的起始加热条件进行调整匹配以避免束源炉加热条件突变，同时也使装置可适应不同规格的束源炉。充电限流电阻用于限制对蓄电池的充电电流并在充足电后维持其涓流充电状态，防回流二极管用于防止蓄电池电流倒灌。装置中加上蓄电池接入开关主要是为防止束源炉在低温或冷却状态下断电时此装置对束源炉突然加热。指示灯则用于指示装置的工作状态。
二、继电控制部分继电控制部分的主体为一具有多组大电流触点的继电器，用于对束源炉的工作状态进行自动切换和对蓄电池进行充电控制。由于本系统采用了简单可靠的继电控制，断电时进行自动切换，也可避免电子电路或计算机控制的不可靠性或误操作问题。采用继电控制的另一优点是此系统可采用简单的插入式连接，避免了对原有系统进行排线改造，正常工作时束源炉仍维持原有的连线和工作状态，且保证在断电后重新来电时MBE系统对束源炉的测温等功能仍能正常工作，对MBE系统无不良影响。此部分具有断电后自锁功能，即断电后装置能及时自动切换到对束源炉缓慢降温状态并锁定在此状态，来电后不会自动回到加热升温状态，避免了在束源炉状态不明时自动对其加电。此部分中还加装了人工复位按钮，在断电发生后保护系统需在已判明束源炉状态的情况下由人工复位按钮，干预才能回到正常工作状态，从而可避免误操作的发生。此部分的另一功能是对蓄电池进行充电控制，即在正常工作状态下对蓄电池充电并在基本充满后维持涓流充电状态，而继电控制在切换到对束源炉缓慢降温状态后，充电即自动中断，重新来电后也不自动进入充电状态，这样也可避免蓄电池在充电状态不明时重新投人使用，人工复位按钮可同时使蓄电池进入充电状态，这样可在有人关照的情况下完成充电。
三、AC/DC转换部分AC/DC转换部分的主体即为一AC/DC变换器，此变换器采用体积小、效率高的开关式电源(也可采用常规的变压器整流滤波方式)。AC/DC转换器参数的选取主要考虑与蓄电池相匹配，即其输出电压略高于蓄电池的标称电压，并可输出足够的电流，具有在8～12小时内完成对蓄电池充电的容量并有一定裕量，以保证足够的可靠性。此电源也同时对系统中的继电器、指示灯等供电，AC电源开关、电源指示灯和熔丝等也包含在此部分中。
构建本发明所提供的用于束源炉断电或误操作的保护系统具体方法是(1)测定束源炉在高温状态下的加热电流和电压的参数；(2)依步骤(1)测定的电流和电压参数选定相应标称值的市售小型免维护铅酸蓄电池作为储能电源；使束源炉断电或误操作状态下缓慢降温；(3)过程维持在10小时以上，且在断电后1小时之内束源炉仍保持恒温；(4)依束源炉的参数及蓄电池的标称电压，配置束源炉的可变匹配电阻，且采用短路开关调整匹配电阻的阻值；(5)依蓄电池的标称参数选取作为AC/DC转换器的开关电源以及选定取带有4组1×2触点，工作电流大于10A的继电器作为控制部件；(6)选取与束源炉相匹配的接插件。
图1是本发明提供一种可靠的束源炉断电或误操作保护系统的示意图。
具体实施例方式
下面通过实施例阐述进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但绝非限制本发明，也即本发明绝非局限于实施例。
实施例分子束外延设备铝束源炉的断电或误操作保护系统一、系统的构建步骤1.对Al束源炉在高温维持状态下的参数(如加热电流和电压等)进行测定，例如，某MBE系统中Al束源炉在900℃高温维持状态时的加热电流和电压分别约为3A和7V，负载电阻约2.3Ω，据此可确定所提供保护系统的相关部件及其参数。
2.根据此束源炉的参数，我们选定标称值为12V34AH的市售小型免维护铅酸蓄电池作为储能电源，这样断电后束源炉的缓慢降温过程可维持10小时以上，且在断电后1小时之内束源炉仍可保持恒温，这样，如1小时之内重新来电则此束源炉可以由人工复位按钮重新回到正常状态，从而避免了缓慢降温后重新缓慢升温这一可长达10小时以上的过程。
3.根据此束源炉的参数及蓄电池的标称电压，束源炉的匹配电阻约为1.7Ω，由于工作电流较大，阻值又低，我们选取2、1、0.5、0.2、0.2、0.1共6只固定电阻(10W)串联作为负载调整的可变匹配电阻，采用短路开关(额定电流10A)调整匹配电阻的阻值(阻值可在0.1～4Ω内以0.1Ω的步长调节，可适应规格相近的不同束源炉的要求，且具有高可靠性)。
4.根据蓄电池的标称参数，我们选取15V6A或24V6A的开关电源作为AC/DC转换器。
5.根据此束源炉的参数，我们选取带有4组1×2触点、触点工作电流大于10A的继电器作为控制部件。
6.其余开关、按钮和指示灯等按常规选取，并准备好与束源炉相匹配的接插件。从而构建成附图1所示的保护系统。
二、保护系统的应用1.按图1所示系统示意图及相关说明可靠安装至合适的机箱中，检查无误后接通AC电源给蓄电池充足电，然后接上假负载进行初步调试。
2.调试正常后即可将此装置在束源炉已冷却断电的状态下接入系统，然后启动此装置进入正常工作状态，束源炉按规程由其对应控制器控制达到高温恒温维持状态，待稳定后进行带电调试。
3.带电调试时先断开此保护装置的AC电源，束源炉进入保护状态后适当调整负载匹配电阻的阻值使束源炉仍维持其高温恒温状态(此过程中如有反常可随时人工切换到原来工作状态)，正常后即可观察其缓慢降温过程并记录降温速率，看其是否符合要求(Al束源炉的缓慢降温速率一般应在2℃/min以下，特别是在包含相变点的900℃～500℃温区中)。
4.带电调试完成后此装置即可投入正常使用。使用中应注意束源炉达到高温恒温或生长状态时应及时接通此装置的蓄电池接入开关以使此装置起保护作用；出现断电故障或误操作引起断电后重新来电时，应首先恢复MBE操作系统，再检查被保护束源炉当时的状态(温度、降温速率等)，然后决定合适的对策。若断电时间较短且束源炉仍在高温恒温状态，则可及时将此保护装置切换到正常工作状态，如降温幅度已较大或已降至低温，则需根据具体情况妥善处置。
5.保护装置中蓄电池完全放电后应充电10小时以上装置方可重新投入使用，在此期间应特别注意此装置不能起到充分的保护作用，如经常出现断电故障则需配备已充满电的备用蓄电池替换。
权利要求
1.一种用于束源炉断电或误操作的保护系统，其特征在于所述的保护系统包括三个子系统，它们是用于断电或误操作状态下对束源炉进行短时间或缓慢降温的储能电源；对束源炉的工作状态进行自动切换和对蓄电池进行充电控制的继电充电控制以及作为充电电源的AC/DC变换器；其中变换器的AC端外接交流电源，变换器的DC端与自动切换和充电控制子系统相连接，储能电源则与充电控制的继电控制部分相连接。
2.按权利要求1所述的一种用于束源炉断电或误操作的保护系统，其特征在于所述储能电源的主体为一个容量规格与单个束源炉相匹配的小型免维护铅酸蓄电池以及用于负载调整的可匹配电阻、充电限流电阻以及防回流二极管。
3.按权利要求1所述的一种用于束源炉断电或误操作的保护系统，其特征在于所述的充电控制采用插入式接入方案连接束源炉。
4.按权利要求1所述的一种用于束源炉断电或误操作的保护系统，其特征在于自动切换系统带有断电后的自锁功能和来电后人工复位按钮。
5.按权利要求2所述的一种用于束源炉断电或误操作的保护系统，其特征在于所述的充电限流电阻对蓄电池的充电电流并在充足电后维持其涓流状态。
6.构建如权利要求1所述的一种用于束源炉断电或误操作的保护系统的方法，其特征在于(1)测定束源炉在高温状态下的加热电流和电压的参数；(2)依步骤(1)测定的电流和电压参数选定相应标称值的市售小型免维护铅酸蓄电池作为储能电源；使束源炉断电或误操作状态下缓慢降温；(3)过程维持在10小时以上，且在断电后1小时之内束源炉仍保持恒温；(4)依束源炉的参数及蓄电池的标称电压，配置束源炉的可变匹配电阻，且采用短路开关调整匹配电阻的阻值；(5)依蓄电池的标称参数选取作为AC/DC转换器的开关电源以及选定取带有4组1×2触点，工作电流大于10A的继电器作为控制部件；(6)选取与束源炉相匹配的接插件。
7.按权利要求1所述的一种用于束源炉断电或误操作的保护系统，其特征在于提供的保护系统或适用于材料的分子束外延的生长系统，或适用于在断电或误操作状态下需要保证高温部件缓慢降温的系统。
全文摘要
本发明涉及一种束源炉断电或误操作用的保护系统、构建方法及应用，包括在多种可能的断电或误操作状态下对各种型号规格的束源炉及其坩埚进行有效保护的系统以及相关部件的参数确定的规则。本发明提供的保护系统包括三个子系统，分别是用于断电或误操作状态下对束源炉进行短时间或缓慢降温的储能电源；对束源炉的工作状态进行自动切换和对蓄电池进行充电控制的充电控制以及作为充电电源的AC/DC变换器。它或用于各类分子束外延设备或适用于其他在断电及误操作状态下需要保证有关高温部件缓慢降温的系统。具有系统结构简单，高的可靠性及成本较低，接入方便，对原有系统无不良影响等特点。是一种普适的系统，具有很好的通用性。
文档编号F27B17/00GK1649230SQ200510023749
公开日2005年8月3日 申请日期2005年2月2日 优先权日2005年2月2日
发明者张永刚, 李爱珍 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所