ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Зонная плавка из "Кристаллизация " Для удаления большого количества примесей из вещества дробная кристаллизация из расплава не может гарантировать больших успехов. Прежде всего для этого потребуется бесконечное число стадий перекристаллизации, а в конце процесса будет получено очень мало чистого вещества. Высокие степени очистки в сочетании с высоким выходом очищенного материала могут быть достигнуты с помощью процесса, известного под названием зонная плавка или зонная очистка. [c.200] Метод зонной плавки первоначально был разработан Пфан-ном [15, 16] для очистки германия, предназначенного для применения в транзисторах. Очистка методом зонной плавки может осуществляться при наличии разности концентраций между жидкой и твердой фазами, которые находятся в контакте во время плавки или затвердевания твердого раствора. Лучше всего этот процесс можно объяснить с помощью диаграммы состояния. [c.200] Следовательно, можно сказать, что /С 1, если примесь снижает точку плавления, и /С 1, если примесь повышает точку плавления. [c.202] Концентрация примесей в любой точке вдоль твердого образца или слитка, который был сначала расплавлен, а затем постепенно охлаждался и затвердевал по длине (рис. 83), может быть выражена с помощью соответствующих уравнений, если известен коэффициент распределения примесей. [c.202] Распределение примеси вдоль образца, подвергнутого процессу нормальной направленной кристаллизации, может быть рассчитано по уравнению (5). На рис. 84 показаны различные кривые распределения, которые следует ожидать при различных значениях К. Чем больше К отклоняется от единицы, тем больше градиент концентрации вдоль образцов. [c.203] ЭТО чрезвычайно расточительно. Однако зонную очистку можно многократно повторять без напрасных затрат материала. При зонной очистке короткая расплавленная зона проходит вдоль твердого образца из материала, предназначенного для очистки. Если /С 1, то примеси переходят в рааплав и концентрируются в конце образца если /С 1, то примеси концентрируются в твердой фазе следовательно, в этом случае можно было бы через расплав провести охлажденную твердую зону. [c.204] Последовательность процессов при зонном рафинировании показана на рис. 85,а и 6. Хотя после удаления конечного участка с высоким содержанием примесей концентрация примесей в образце стала ниже по сравнению с первоначальной, все-таки имеется значительный градиент концентрации вдоль образца. [c.204] Для выравнивания концентрации примесей вдоль образца применяется процесс, известный под названием зонное выравнивание последовательные проходы зоны в разных направлениях до тех пор, пока не образуется гомогенная средняя часть по длине образца (рис. 85,в) концы прутка как с высоким, так и с низким содержанием примесей удаляются. [c.204] На рис. 86 показаны простые схемы различных методов зонной очистки [17]. На рис. 86,й показано, что материал находится в горизонтальной лодочке, вдоль которой перемещается нагреватель. Можно протянуть лодочку через неподвижный нагреватель. Расположенная зона проходит через твердое вещество. В целях снижения времени очистки можно одновременно пропустить вдоль образца несколько зон с установленными интервалами (рис. 86,6). Нагреватели размещены на значительном расстоянии, что предотвращает растекание расплавленных зон для материалов с высокой теплопроводностью и веществ, характеризующихся высокими степенями переохлаждения, можно между нагревателями установить охладительные устройства. [c.204] На рис. 86,в показан метод, позволяющий многократно осуществлять процесс при форме слитка в виде разомкнутого кольца. Метод зонной плавки материала в вертикальной трубке (рис. 86,г) применяется в том случае, если имеются примеси, которые могут осаждаться или всплывать в расплаве. В первом случае может применяться проход зоны сверху вниз, во втором — снизу вверх. [c.204] Скорость продвижения зоны — это фактор, который может оказать значительное влияние на эффективность зонной очистки. [c.205] Трубка или тигель, в которых содержится очищаемый материал, не должны служить источником загрязнения и должны выдерживать термические и механические напряжения. Очищенное твердое вещество должно легко выниматься из контейнера, следовательно, расплав не должен смачивать стенки контейнера. Выбор материала для контейнера зависит от очищаемого материала. Обычно для органических веществ применяют стекло и кварц кварц пр1именяют и для многих сульфидов, селенидов, арсенидов и антимонидов, в то время как для металлов часто применяют графитмрованный кварц. [c.205] Загрязнения извне можно избежать, если обойтись вообще без контейнера. Например, на рис. 87,6 показан метод вертикальной зонной очистки, в котором используется так называемая плавающая зона . Этот метод был описан Кеком и др. [18]. Пруток очищаемого материала закрепляют внутри контейнера таким образом, чтобы он не касался стенок контейнера, а пространство между прутком и трубкой вакуумируют или заполняют защитной или инертной атмосферой. Поверхностное натяжение играет решающую роль в устойчивости расплавленной зоны, а для регулирования этой зоны требуется большой опыт. [c.206] Исследования, недавно проведенные на экспериментальном заводе [22], показали, что этот процесс экономически возможен, поэтому в будущем большое количество питьевой воды будет подвергаться зонной очистке. [c.207] На рис. 88 и 89 рассмотрены два процесса (из многих), применяемых в крупномасштабном производстве. [c.207] Процесс ведется в вертикальных трубках (рис. 88). [c.207] Трубки проходят через близко расположенные и изолированные друг от друга горизонтальные плиты. Пространства между плитами соединены автоматическими клапанами с секциями расширения и сжатия холодильной системы. Таким образом, пространства между плитами могут быть зоной плавления , зоной замерзания или мертвой зоной (по требованию). Нижние части трубок помещены в резервуар с опресненной водой. Соленая вода вводится в верхние части трубок после того, как образуются зоны замерзания и плавления, они продвигаются по трубкам снизу вверх. Пробка льда образуется в нижней части трубки, расположенной в резервуаре с очищенной водой, и по мере того, как она движется снизу вверх, воздух входит в трубку под пробку. Через определенный интервал времени доступ воздуха прекращается и п,робка льда, сопровождаемая воздушным пузырьком и зоной переплавленной воды, продвигается вверх. Замерзание над пробкой и расплавление под пробкой происходит с одинаковой скоростью образовавшаяся вода после одной стадии очистки (после предыдущего прохода) замерзает на ледяной пробке следующей стадии очистки (следующий проход). Непрерывность процесса приводит к тому, что объем воздуха перемещается вверх, а такой же объем воды перемещается вниз за каждую стадию очистки. [c.207] НОСТЬЮ следующей ледяной пробки для вымывания богатого соляного раствора и наполнения трубки свежей соленой водой. [c.208] Расплавление ледяных пробок может осуществляться теплым воздухом или теплой водой, подаваемыми с наружной части барабана. Предварительные подсчеты показали, что из этих двух процессов более дешев процесс с применением вертикальных трубок. [c.208] Вернуться к основной статье