[实用新型]一种生产晶体的晶体合成炉

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种生产晶体的晶体合成炉，它尤其适用于在结晶过程中出现成分偏析的二元系或者三元系的晶体系统，例如铌镁酸铅-钛酸铅（简写作PMN-PT）晶体系统。

背景技术

压电晶体材料能进行电能与机械能的转换而发射与接收超声信号，是超声探头之中的核心部件。例如，近年来，一种弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅（简写作PMN-PT）晶体开始被运用于医疗超声成像领域。在钛酸铅（简称PT）的化学组分接近MPB相界（25～35%PT）的情况下，该晶体的机电耦合系数（k33）可以达到90%以上，压电常数（d33）可以达到2500PC/N以上，是一种性能十分优异的晶体材料。

一种生产晶体例如PMN-PT晶体的方法是布里奇下降法，即坩埚下降法。该方法通过使装有PMN-PT陶瓷的晶体生长坩埚在加热炉中缓慢下降来获取PMN-PT单晶。在这种方法的晶体生长过程中，预先放置在晶体生长坩埚中的PMN-PT陶瓷被密封处理，没有新的原料补充。

然而，用上述方法和装置生产PMN-PT单晶存在难以工业化生产的问题。

其中一个原因是，含铅的熔融态液体在高温下非常容易挥发出气态氧化铅，其结果是在晶体生长过程中出现钛酸铅（PT）的成分偏析，导致生长得到的晶锭中钛酸铅（PT）的含量从晶锭的一端到另一端的变化十分明显。

另一个原因是，PMN-PT晶体的压电性能在25～35%PT之间随化学成分的改变而变化巨大。

结果是，晶锭的有效使用长度很短（通常在50mm以内），晶体的成品率很低。因而，用上述方法制得的产品成本很高，阻碍了该晶体的产业化生产。

实用新型内容

本实用新型的目的是，提供一种能够在晶体生长过程中不断加料的晶体合成炉，以解决二元系或者三元系的晶体生长中组分偏析的问题，从而能够使得所生产的晶体成品率高，并降低生产成本。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种生产晶体的晶体合成炉，包括炉体和设置在该炉体内的晶体生长系统，该晶体合成炉还包括设置在所述炉体内的原料熔融系统和熔融原料输送系统，其中该熔融原料输送系统用于在晶体生长过程中将该原料熔融系统中的熔融原料输送到所述晶体生长系统。

所述原料熔融系统包括原料熔融坩埚和用于对该原料熔融坩埚进行加热的原料熔融坩埚加热系统，所述原料熔融坩埚具有出料口。所述熔融原料输送系统包括至少一根熔融原料输送管道和熔融原料输送控制系统。所述晶体生长系统包括晶体生长坩埚、晶体生长坩埚加热系统以及垂直升降系统，该垂直升降系统用于控制晶体生长坩埚的上升和下降，所述晶体生长坩埚具有进料口。其中，所述熔融原料输送管道的一端与所述原料熔融坩埚的出料口连接，另一端与所述晶体生长坩埚的进料口连接，以便在晶体生长过程中，所述原料熔融坩埚中的熔融原料能经由该熔融原料输送管道输送到所述晶体生长坩埚中；所述熔融原料输送控制系统被配置成控制所述熔融原料的输送。

所述熔融原料输送控制系统包括气体源、气体控制系统和气体热交换管道，其中所述气体热交换管道包括进气段、热交换段和出气段，该热交换段围绕所述熔融原料输送管道以用于与该熔融原料输送管道进行热交换。所述气体控制系统用于控制热交换气体从所述气体源进入所述气体热交换管道的流量以控制所述熔融原料的流量。

所述气体控制系统包括信号放大器、PID控制器和流量阀门，所述进气段通过该流量阀门连接于所述气体源，所述信号放大器、PID控制器和流量阀门构成控制回路以控制热交换气体从所述气体源进入所述气体热交换管道的流量。

所述熔融原料输送管道包括熔融原料输送管道上段和熔融原料输送管道下段，其中，该熔融原料输送管道上段与所述原料熔融坩埚的出料口连接，该熔融原料输送管道下段与所述晶体生长坩埚的进料口连接；该熔融原料输送管道上段的外径小于该熔融原料输送管道下段的内径，从而使得该熔融原料输送管道上段可插入该熔融原料输送管道下段并可在该熔融原料输送管道下段内自由滑动，并且由该熔融原料输送管道上段插入该熔融原料输送管道所形成的重叠部分在晶体生长过程中始终存在。

所述晶体合成炉所生产的晶体为弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅晶体。

所述原料熔融坩埚加热系统包括加热器、热电偶、温度控制器和连接以上三者的导线，所述加热器环绕在所述原料熔融坩埚之外并对其加热，所述热电偶的测温点为所述原料熔融坩埚。

作为一种改进，所述原料熔融系统还包括设置在所述原料熔融坩埚周围的保温材料。

作为一种改进，所述熔融原料输送系统还包括设置在所述熔融原料输送管道和气体热交换管道周围的保温材料。