一种充氩舱中使用的环形等离子体无容器区域熔炼装置

1.本发明涉及合金提纯设备技术领域，特别是涉及一种充氩舱中使用的环形等离子体无容器区域熔炼装置。


背景技术：

2.贵金属或者单晶材料工作温度的升高，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贵金属或者单晶材料的必要条件，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。目前对于贵金属或者单晶材料的提纯多采用水冷坩埚区域熔炼的方式进行，这种方式存在杂质含量高、单晶形成能力低、温度梯度小、坩埚壁异质形核等问题。


技术实现要素：

3.为全面解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种充氩舱中使用的环形等离子体无容器区域熔炼装置能够全面解决上述问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
5.一种充氩舱中使用的环形等离子体无容器区域熔炼装置，包括充氩舱，充氩舱外设有电控系统，充氩舱内设有环形等离子体发生器，所述环形等离子体发生器通过承载底盘与充氩舱连接，所述承载底盘两端对应固定有第一立柱体和第二立柱体，所述环形等离子体发生器与第一立柱体滑动连接，所述环形等离子体发生器与第二立柱体滑动连接，所述第一立柱体与第二立柱体通过连接板体连接，所述承载底盘的顶部连接有第一夹持件，所述连接板体的底部连接有与第一夹持件对应的第二夹持件，所述第一夹持件通过驱动装置与第二夹持件连接，所述环形等离子体发生器通过连接杆与驱动装置连接，其特征在于，所述环形等离子体发生器的壳体内设有离子气嘴、保护气嘴、环形阴极和导电嘴，所述导电嘴连接于离子气嘴内侧，所述环形阴极连接于离子气嘴外侧，所述保护气嘴连接于环形阴极外侧，所述离子气嘴内喷出等离子气，所述保护气嘴内喷出保护气，所述环形阴极、导电嘴与电控系统相连接，所述环形等离子体发生器的环形阴极与导电嘴在电控系统的控制下形成等离子体焰流。
6.本发明进一步的优选方案：所述电控系统包括等离子电源、时序控制器、气流控制器，等离子电源与环形阴极和导电嘴相连。
7.本发明进一步的优选方案：所述环形等离子体发生器的等离子体束的夹角为70～130
°
。
8.本发明进一步的优选方案：所述环形等离子体发生器的环形阴极为连续锥形体或组合锥形体，所述组合锥形体由多组齿形分体阴极组成，相邻的所述分体阴极通过绝缘陶瓷连接并形成环形锥体结构。
9.本发明进一步的优选方案：所述环形等离子体发生器的等离子电流范围为50～100a。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
11.本发明提供一种结构新颖、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充氩舱中使用的环形等离子体无容器区域熔炼装置。
附图说明
12.图1是本发明的结构示意图；
13.图2是本发明环形等离子体发生器的结构示意图；
14.图3是本发明环形阴极的连续锥形体结构；
15.图4是本发明环形阴极的组合锥形体结构；
16.图中：
17.环形等离子体发生器1、2、承载底盘3、第一立柱体4、第二立柱体5、连接板体6、驱动装置7、第一夹持件8、第二夹持件9、连接杆10、熔炼棒料101、离子气嘴102、保护气嘴103、等离子气104、保护气105、环形阴极106、导电嘴107。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明做进一步描述：
19.如附图1-附图2所示，一种充氩舱中使用的环形等离子体无容器区域熔炼装置，设有充氩舱，充氩舱外设有电控系统，充氩舱内设有环形等离子体发生器1、2、承载底盘3、第一立柱体4、第二立柱体5、连接板体6、试样夹持机构和驱动装置7，试样夹持机构是由第一夹持件8和第二夹持件9组成，驱动装置7包括伺服电机、旋转丝杠、丝母和滑道，承载底盘3下端与充氩舱固定连接，上端中部固定有第一夹持件9和伺服电机，承载底盘3两端对应固定有第一立柱体4和第二立柱体5，第一立柱体4和第二立柱体5顶端经连接板体6固定连接，第一立柱体4和第二立柱体5相对应的内侧面上分别设有滑道，第一立柱体4和第二立柱体5间设有旋转丝杠，连接板体6下端中心设有第二夹持件9，第二夹持件9与第一夹持件8相对应，以利于夹持熔炼试样，旋转丝杠上端经轴承与连接板体6固定连接，下端与固定在承载底盘3上的伺服电机固定连接，旋转丝杠上螺纹连接有丝母，丝母一侧经连接杆10与环形等离子体发生器1固定连接，另一侧经连接杆10与环形等离子体发生器2固定连接，环形等离子体发生器1经壳体上设有的导向滑轨与第一立柱体4上的滑道滑动连接，环形等离子体发生器2经壳体上设有的导向滑轨与第二立柱体5上的滑道滑动连接，环形等离子体发生器1、2的壳体内设有离子气嘴102、保护气嘴103、环形阴极106和导电嘴107，导电嘴107连接于离子气嘴102内侧，环形阴极106连接于离子气嘴102外侧，保护气嘴103连接于环形阴极106外侧，离子气嘴102内喷出等离子气104，保护气嘴103内喷出保护气105，环形阴极106、导电嘴107与电控系统相连接，环形等离子体发生器1,2的环形阴极106与导电嘴107在电控系统的控制下形成等离子体焰流，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。
20.电控系统包括等离子电源、时序控制器、气流控制器，等离子电源与环形阴极106和导电嘴107相连，气流控制器控制等离子体流量，时序控制器控制通电、通气时序。
21.第二夹持件9是由螺柱和顶套构成，螺柱上端与连接板体6螺纹连接，下端与顶套固定连接，以方便对试样进行安装。
22.第一夹持件8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。
23.环形等离子体发生器1,2的等离子体束的夹角为70～130
°
，以利于对试样的同一圆周进行熔炼。
24.环形等离子体发生器1,2的环形阴极106为连续锥形体(如图3所示)或组合锥形体(如图4所示)，组合锥形体由多组齿形分体阴极1061组成，相邻的分体阴极1061通过绝缘陶瓷1062连接并形成环形锥体结构。，以利于对熔炼棒料101进行均匀加热，并且，在两长度方向上形成单向温度梯度，避免熔炼棒料101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。环形阴极106可采用钨块机加制成，尖角角度小于30
°
，以达到延长使用寿命的作用。
25.环形等离子体发生器1,2的等离子电流范围为50～100a，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。
26.环形等离子体发生器1,2的壳体形状可采用圆盘状，壳体是由上壳体和下壳体密封连接而成，壳体为无磁性导电材料制成，壳体的材质优选采用奥氏体不锈钢、铜的任意一种，壳体直径为30～50mm，环形等离子体发生器1、2的环形阴极106位于壳体内部，壳体与环形阴极106之间采用陶瓷材质，以达到绝缘的作用。
27.在熔炼时，启动电控系统，电控系统驱动驱动装置动作，驱动装置带动旋转丝杠旋转，进而带动丝母以及与丝母固定的环形等离子体发生器1,2沿着第一立柱体4和第二立柱体5上的滑道直线上升或下降，使环形等离子体发生器1,2中的等离子体同时对试棒进行熔炼。
28.等离子体产生原理：环形阴极106与导电嘴107之间间隔2～5mm，环形阴极106与导电嘴107之间加高频高压电场，击穿空气，产生电弧。电弧被高速等离子气104吹口，形成等离子焰流，即为本发明中所述等离子体。本发明将阴极设计为环形，等离子气为环形，从而产生环形等离子体。阴极的作用：1.作为高压电极，2.电弧燃烧过程中发出电子，维持电弧稳定燃烧。
29.由于采用上述结构，本发明具有结构新颖、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。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。