垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备的制作方法

本实用新型涉及一种垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备。

背景技术：

布里奇曼晶体生长法，又称坩埚下降法，即Bridgeman-Stockbarge method，简称B-S法，是一种常用的晶体生长方法。

布里奇曼晶体生长法有赖于垂直布里奇曼炉，垂直布里奇曼炉从上到下具有一定的温度梯度，进而布里奇曼晶体生长发的实验流程是：

将晶体生长所需材料置于圆柱型的坩埚中，坩埚在相应驱动装置控制下在垂直布里奇曼炉中缓慢地下降，布里奇曼炉的炉温控制在略高于材料的熔点附近。根据材料的性质及加热器件可以选用电阻炉或高频炉。在通过加热区域时，坩埚中的材料被熔融，当坩埚持续下降时，坩埚底部的温度先下降到熔点以下，并开始结晶，晶体随坩埚下降而持续长大。这种方法常用于制备碱金属、碱土金属卤化物和氟化物单晶。

典型地，例如中国专利文献CN101220502A的背景技术部分及其附图1展示了垂直布里奇曼炉的基本结构，包括不锈钢外壳、容置在不锈钢外壳内并缠绕有电热丝的陶瓷衬管，电热丝用于产生所需要的温度梯度，并且两端陶瓷衬管之间用陶瓷散热片隔开，从而形成三个炉段，从上到下依序是高温区、温度梯度区和低温区，产生所需要的温度梯度。

为了进行有效保温，外壳与衬管间需要填充隔热材料，整体的径向尺寸规格比较大，并且隔热材料仍然构建了外壳与衬管间基于所填充的隔热材料形成连接，保温效果并不好。

上述中国专利文献CN101220502A所要求保护的技术方案重点是温度梯度的构造，垂直布里奇曼炉的轴向尺寸规格仍然没有做出改动。

中国专利文献CN106480495A的附图1也显示了垂直布里奇曼炉的一般结构，即炉内从上至下依序构造为高温区、梯度区和低温区，其具体实施方式部分还表明炉体可以旋转，显然若炉体采用比较厚的隔热材料（例如隔热棉），在其旋转时势必会占据比较大的空间，并且炉体重量会比较大，需要比较大的驱动力。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种炉体结构相对紧凑、重量相对较小的垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备。

依据本实用新型的实施例中，提供一种垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备，包括炉体、支撑炉体的支架，以及向炉体内送料的送料机构，所述炉体包括：

内管，为立式设置的石英管；

外管，为石英管，同轴线地嵌套在内管外，并与内管间留有给定距离，而形成中间空间，且外管表面镀有隔热镀层；

隔热件，位于中间空间上下方向的中间，内管位于隔热件上部的空间为高温区，位于隔热件下部的空间为低温区，隔热件所处的区域为梯度区；以及

加热器，位于中间空间，包括用于对高温区加热的上加热器和用于对低温区加热的下加热器。

上述垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备，可选地，隔热镀层为金镀层。

可选地，隔热镀层在上下方向上分布有多个未被隔热镀层覆盖的视窗。

可选地，内管的外壁与外管的内壁间距为L，且L具有以下特征：

L=0.866R~0.890R

其中，R为内管半径。

可选地，炉体的下端盖具有一中心孔，一通过中心孔探入到炉体的杆的上端为盛料器；

杆为所述送料机构的输出构件。

可选地，所述送料机构还包括：

直线驱动机构，该直线驱动机构的驱动方向平行于杆的轴线；

平连部件，用于直线驱动机构与杆间的横向连接。

可选地，平连部件设有轴线平行于杆的导套；

相应地，匹配所述导套，在直线驱动机构的机架上还设有平行于杆并为所述导套套装的导杆，以用于对平连部件进行导引。

可选地，所述直线驱动机构的机架与支撑炉体的支架脱开而构造为独立的副支架；

杆与中心孔间留有间隙，以避免杆与中心孔壁干涉。

可选地，所述副支架具有位于炉体下方的座架，以及位于座架一侧并向上延伸的背架；

其中，背架用于直线驱动机构在副支架上的安装。

可选地，所述直线驱动机构为丝母丝杠机构，该丝母丝杠机构的丝母与所述平连部件固定连接。

依据本实用新型的实施例，采用双石英管取代现有的单管结构配合隔热棉结构，外管具有隔热镀层，可以理解的是，隔热镀层是基于反射原理的隔热结构，能够反射掉大部分的热量，从而能够有效隔热，嵌套结构远小于单管结构配合隔热棉结构，使整体结构趋于紧凑，重量也相对较轻。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备结构示意图。

图2为一种副支架及升降机构装配结构示意图。

图3为一种炉体结构示意图。

图中：1.炉体，2.下炉盖，3.杆，4.升降机构，5.连接座，6.主支架，7.副支架。

11.内管，12.上加热器，13.外管，14.隔热件；A.高温区，B.梯度区，C.低温区。

31.安瓿支撑。

41.导柱。

51.导套。

71.背架，72.座架，73.加强板。

具体实施方式

参照说明书附图1，是一种垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备的一般结构，其中炉体1是竖直设置，所谓的垂直，即在竖向的移动实现布里奇曼法的工艺实现。

图1所示的垂直布里奇曼炉多元化合物晶体生长设备，其基本结构包括炉体1，用于竖直安装炉体1的主支架6，炉体1需要被稳定的竖立起来，从而在竖直方向以给定的速度移动盛料器。

送料即通过送料机构进行送料，常规的送料机构是从上向下输送，发明人认为，从上向下输送会存在一定的问题，该问题体现在运动部件的密封问题，由于炉体1是长径比比较大的细长件，将盛料器送入炉体1，往往也需要一定长度的操纵杆，图1中所示的杆3也是一种操纵杆。炉体1的上端有上端盖，下端有下端盖，如果操纵杆从上端探入炉体1，操纵杆需要与上端盖有配合关系。

布里奇曼炉并不是真空炉，热对流条件下，高温区A的热量容易从上部缝隙耗散，这不同于图1所示的结构，图1中，杆3从炉体1的下端盖，即图1中的下炉盖2探入，热气在上，热对流效应比较小。对此，在下文中会有详细说明，在此暂不赘述。

依据本实用新型的实施例，首先体现在炉体1采用双石英管结构，与石英坩埚可以采用相同的石英材质。

炉体1的常规结构可见于背景技术所引用的现有技术文献，现有炉体1通常具有陶瓷质或者石英材质的内管体，内管体包覆保温材料或者隔热棉，一方面整体体积偏大，另一方面，例如隔热棉属于不透明材质，一旦包覆保温材料，就无法观察内管体内的情况，具体是例如石英坩埚内的晶体的生长情况。

图3中，炉体1为双石英管结构，双石英管采用内外管嵌套结构，因此，其具有内管11和外管13，两者共轴线，或者具有相对比较高的同轴度。

外管13的内径大于内管11的外径，两者之间存在一定的空间，记为中间空间，该中间空间一方面作为装配空间，用于图3中上加热器12和下加热器15，以及隔热件14的装配，另一方面，也作为隔热空间，例如上加热器12，在内管11外壁装配后，主要靠热传导实现加热，热辐射的比重相对较小，中间空间的径向规格，会影响热辐射对外管13的加热效率。

进一步在外管13的表面镀制隔热镀层，将大部分热辐射反射，从而在结构相对紧凑的条件下，能够获得比较好的保温效果。

相对而言，嵌套的双管结构，结构相对紧凑，当炉体1需要具有运动时，较为紧凑和较轻的重量比传统的炉体1更加容易实现。

关于隔热，还有另外一个方面，即上下温度梯度的构件，如图3所示，在中间空间的上下方向的中间设置有隔热件14，从而将中间空间分为三个区域，即内管11位于隔热件14上部的空间为高温区A，位于隔热件14下部的空间为低温区C，隔热件14所处的区域为梯度区B。

上高下低的原理也是热对流的原理，对此，传统的布里奇曼炉也是如此。

对于加热器，也区分为两种，也设置在中间空间，包括用于对高温区A加热的上加热器12和用于对低温区C加热的下加热器15。

需要说明的是，高温区A、梯度区B和低温区C所指的是内管11内的温度梯度区。

关于隔热镀层，仅用于表示存在隔热层，其在工艺上大部分是镀制而产生的，但并不表示只能采用镀制工艺所产生，在一些应用中，可以采用涂覆或者喷涂工艺产生，目前随着涂料技术的发展，例如纳米隔热涂料，对热辐射的反射率可以达到87%，甚至更高。

隔热镀层优选金镀层，金镀层在航天领域应用较多，例如航天器的表面镀制的金镀层，对宇宙射线和太阳光有比较好的反射作用，以保护航天器内的设备和人员。金镀层具有非常高的反射率，可以达到95%以上，能够起到很好的隔热效果。

炉体1采用双石英管结构，石英属于透明材质，在没有隔热镀层的条件下，可以清楚的看到双石英管内的状况，但是在设置了隔热镀层的条件下，会对光线产生遮蔽，而无法看到石英管内的状况，这与传统的炉体1结构一样，都无法看清楚炉体1内的状况。

区别于现有技术，现有技术通常需要在外壳和内管间填充隔热材料，无法构造视窗，而在本实用新型的实施例中，由于采用了双石英管，不需要填充隔热材料，视窗的构建具有比较好的结构基础，在隔热镀层上留有多个未镀区域，构建为视窗，从而操作人员可以通过视窗观察晶体的结晶状况。

镀层比较薄，所构造的视窗不必很大，基于透视效果，视场角比较大，而区别于现有技术，当通过填充隔热材料实现隔热时，想获得比较大观察范围，必须构造比较大的视窗。因此，在构造视窗的条件下，较小的视窗对隔热的影响相对较小，不同于传统的炉体1的结构条件。

在优选的实施中，内管11的外壁与外管13的内壁间距为L，且L具有以下特征：

L=0.866R~0.890R

其中，R为内管11半径。

以上表示中间空间的宽度，或者说内管11的外壁与外管13的内壁间距与内管11的规格正相关，内管11越大，L就越大。

关于炉体1，如前所述，传统的炉体1的上端具有上端盖，下端具有下端盖，其中上端盖开有过孔，用于盛料器操作杆的穿入。本实用新型的实施例中与传统的炉体1结构不同，用于盛料器，如图2中所示的安瓿支撑31操作的杆3，从炉体1的下端盖穿入，如图1所示，下炉盖2一方面用于炉体1下端在主支架6上的安装。下炉盖2具有一中心孔，杆通过中心孔探入到炉体1，杆3的上端为所述安瓿支撑31。

相应地，杆3为所述送料机构的输出构件。

进一步地，所述送料机构还包括：

直线驱动机构，该直线驱动机构的驱动方向平行于杆3的轴线；

平连部件，用于直线驱动机构与杆3间的横向连接，如图1中所示的连接座5。

平连部件用于直线驱动机构的输出构件向一侧悬伸，并行的杆3和直线驱动机构不同于杆3与直线驱动机构的直连，可以减小主支架6的高度，使主架体6更加稳定。

进一步地，为了提高杆3驱动时的稳定性，如图1和2所示的连接座5，其设有轴线平行于杆的导套51。

相应地，匹配所述导套51，在直线驱动机构的机架上还设有平行于杆3并为所述导套51套装的导杆41，以用于对连接座5进行导引，使连接座5上下运行时比较平稳。

连接座5平稳运行，可以使杆3更加平稳，一方面可以使盛料器相对平稳，另一方面也能够避免杆3与下炉盖2上的中心孔产生干涉。

进一步地，所述直线驱动机构的机架与支撑炉体的支架脱开而构造为独立的副支架7，从而，直线驱动机构的所产生的驱动震动，不会直接传到主支架6上，避免炉体1晃动。

进而，杆3与中心孔间留有间隙，以避免杆3与中心孔壁干涉，使杆3平稳上下。

关于所述间隙，因布里奇曼炉的特性，上热下凉，不会产生明显的热对流，从而区别于传统的布里奇曼炉，保温效果更好。

此外，可选地，所述副支架7具有位于炉体1下方的座架72，以及位于座架72一侧并向上延伸的背架71；

其中，背架71用于直线驱动机构在副支架7上的安装，整体结构相对紧凑，并且座架72可以位于主支架6下方，在主支架6与副支架7脱开的条件下，在位置关系上配置比较灵活。

由于盛料器在炉体1内需要缓慢的下降，螺纹副则可以提供精准且可控性比较强的控制，有鉴于此，优选地，所述直线驱动机构为丝母丝杠机构，该丝母丝杠机构的丝母与所述平连部件固定连接。