Проект участка по производству монокристаллов GSGG·Nd3+ (диаметр 20 мм, длинна 150 мм) производительностью 100 штук в год

 

24. Промывка  кристалла. 

После резки кристаллы отмываются от следов пиццеина и абразивов путем  протирания ватой, смоченной в ацетоне.

 

25. Уничтожение  отходов.

Накопленные на операциях 22 и 24 ветошь и   вата собираются в полиэтиленовые пакеты и сжигаются.

 

26. Контроль  оптического качества.

Отмытые кристаллы поступают на контроль оптического качества. Визуальным контролем отбраковываются кристаллы, имеющие трещины и посторонние  включения. Наименее дефектная часть  бракованных кристаллов может быть использована для изготовления затравок.

 

27. Взвешивание  кристалла. 

Готовый качественный кристалл взвешивают для указания веса в журнале.

 

28. Запись  в журнале. 

Указываются параметры выращенного  кристалла.

 

29. Маркировка  и упаковка.

Годные кристаллы маркируются  биркой, упаковываются в полиэтиленовые пакеты и поступают на участок  по изготовлению лазерных элементов.

 

 

8. Технологический расчет производства.
9. Исходные данные.

Исходными данными для технологического расчета проекта являются:

конгруэнтно плавящийся состав –  {Gd_2.957Sc_0.043}[Sc_1.85Ga_0.15](Ga₃)O₁₂

количество кристаллов – 100 штук в  год;

размер кристалла – 20´150 мм;

плотность – 6500 кг/м³;

выход годной продукции на стадии роста – 60%;

доля используемого расплава – 40%;

скорость роста – 2 мм/час;

содержание Nd⁺³ в готовой продукции – 2 ат.%.

10. Расчет числа ростовых установок.

Из пункта 7.2. (см. ниже) следует, что  эффективное время работы одной  установки составляет 5617 часов в  год.

Таблица 3.1. Определение продолжительности роста кристалла

 

Наименование операции	Время, ч.
Наплавление шихты в тигель	15
Подготовка  к росту	1
Разогрев	6
Рост	85
Отжиг	25
Извлечение  кристалла	0.5
Выплавление остатков расплава	3
Протирка  установки	0.5
Прочее	1
Итого:	137

 

 Так как на полный цикл  роста с отжигом выращенного  кристалла, включая загрузку, наплавление  шихты, сам рост и т.п., занимает 137 часов, то на одной установке за один год можно вырастить кристалл. С учетом процента выхода годных кристаллов (60%)  – 25 штук. Чтобы обеспечить годовой выпуск 100 штук необходимо соответственно 4 установки.

11. Расчет количества реактивов.

Допустим, что кристалл имеет форму  цилиндра и двух конусов. Тогда масса  готового кристалла:

 

Масса шихты, необходимая для роста  кристаллов в течении одного года, с учетом процента выборки расплава составит:

 

При этом для получения кристаллов высокого качества невыбранный расплав  и бракованные кристаллы повторно не используются.

Поскольку необходимо вырастить кристалл GSGG×Nd³⁺ с содержанием последнего 2 ат.%, то формула будет следующей: Gd_2.897Nd_0.06Sc_1.893Ga_3.15O₁₂.

Уравнение реакции:

Учитывая равновесный коэффициент  распределения Nd в GSGG равен 0.7, получаем массу навески оксида неодима, необходимого для приготовления шихты – 2.07 кг.

12. Расчет количества этилового спирта.

Этанол используется при прессовании  шихты.

Норма расхода: Н_ШИХТЫ = 0.01 л/цикл.

Этанол также используется для  протирки ростовой камеры перед  началом  цикла. Норма расхода: Н_КАМ. = 0.5 л/м².

Поверхность ростовой камеры:

^.

Расход спирта в одном технологическом  цикле:

Годовой расход спирта:

 

13. Расчет количества ацетона.

Ацетон применяется для отмывки  полученных кристаллов от загрязнений  после различных технологических  операций.

Норма расхода на один кристалл: Н_{АЦЕТОНА}= 0.0056 л/шт.

При допущении что все кристаллы  выходят годными получим годовой  расход ацетона:

14. Расчет  других расходных материалов.

Для создания инертной атмосферы в  ростовой камере используется азот. Норма  расхода – 1 баллон на 10 заполнений ростовой камеры. На каждый выращенный кристалл приходится 3 заполнения (наплавление, рост и выплавление остатков). При этом годовой расход составит 50 баллонов в год.

Для крепления затравки к штоку  используется  Pt-Rh проволока Æ1мм. Норма расхода 50 мм на 1 затравку. Итого в год израсходуется:

При чистке ростовой камеры используется ветошь, норма расхода 0.01 м²/цикл или 1.64 м² в год.

Для отмывки кристаллов используется вата в количестве 0.25 кг в год.

15. Сводная таблица расходных материалов.

Таблица 3.2.

 

Наименование материала	Ед.изм.	Потребность на год
Оксид гадолиния ОСЧ	кг	75.17
Оксид неодима ОСЧ	кг	2.07
Оксид скандия ОСЧ	кг	18.69
Оксид галлия ОСЧ	кг	42.57
Спирт этиловый	л	183
Ацетон  технический	л	1
Азот	баллон	50
Проволока Pt-Rh Æ1мм	м	8.2
Ветошь	м2	1.64
Вата	кг	0.25
Масло индустриальное №20	л	20
Алмазный  инструмент	шт.	2

 

16. Основное  оборудование

Для получения активных лазерных элементов  лазерных элементов необходимы кристаллы  высокого качества, что и достигается  при использовании установки  “Кристалл-2”, обеспечивающей рост по методу Чохральского.

17. Установка “КРИСТАЛЛ-2”.
18. Описание установки.

Установка “Кристалл-2” предназначена  для выращивания диэлектрических  монокристаллов методом Чохральского.

Установка состоит из следующих  составных частей:

Кристаллизатор – предназначен для размещения теплового блока и проведения процесса роста.

Агрегат высоковакуумный  – предназначен для создания вакуума в кристаллизаторе. Включает в себя турбомолекулярный насос 01АБ-1500-004 и форвакуумный насос НВР-16Д.

Преобразователь ВПЧ-60-800 – служит для преобразования трехфазного переменного тока частотой 50 Гц в однофазный частотой либо 2.4 кГц либо 8 кГц; и вместе с конденсаторными батареями и индуктором образует систему стабилизированного разогрева тигля в диапазоне температур от 200⁰С до 2050⁰С

Пульт управления – служит для управления процессом выращивания в ручном и автоматическом режиме.

Шкаф силовой – осуществляет подачу 3-х фазного переменного тока в электросистему установки.

Газораспределительный блок – осуществляет подачу газа в ростовую камеру установки.

Стойка управления вакуумной  системы – осуществляет управление работой высоковакуумного агрегата и изменения вакуума в установке. Представляет собой комплект приборов, помещенных на отдельной стойке.

Блок охлаждения – служит для распределения воды и охлаждения всех водоохлаждаемых систем установки.

19. Основные технические характеристики установки “Кристалл-2”.

Установка изготовлена в соответствии с 1.043.059 ТУ.

Установка изготовлена в исполнении ЧХЛ категории 4 по ГОСТ 15-150-69. Температура  воздуха в помещении и его  относительная влажность должны соответствовать нормам Н 587-75 и быть:

температура зимой – 20±5⁰С;

                     летом –  23±5⁰С;

относительная влажность – не более 80 %.

Питание установки осуществляется от сети трехфазного тока (с нулевым  проводом) напряжением 380 В, частоты 50 Гц. Нормы качества электроэнергии по ГОСТ 13109-67.

Потребляемая мощность – не более 80 кВт/час.

 

Для нормальной эксплуатации установки  необходимо подавать питьевую воду ГОСТ 2874-73, очищенную не хуже 10 класса по ГОСТ 17216-71 со следующими параметрами:

давление – 0.2±0.05 Мпа;

температура – не более 20⁰С;

расход воды – не более 5 м³/час.

К установке должна быть подведена  магистраль сливной канализации  с диаметром условного прохода  не менее 50 мм.

Конструкция рабочая камеры обеспечивает работу в диапазоне давлений от 6.6·10^-3 Па до 40 кПа.

Привод перемещения верхнего штока  обеспечивает:

– диапазон регулирования рабочей  скорости перемещения – не менее (0.5–10) ±10 мм/час;

– точность поддержания рабочей  скорости перемещения в течении  часа – ±0.5%;

– скорость ускоренного перемещения  – 150±10 мм/мин.

Привод вращения верхнего штока  обеспечивает:

– диапазон регулирования частоты  вращения – 2–40 об/мин.;

– точность поддержания скорости вращения – не хуже ±1%.

Скорость ускоренного перемещения  нижнего штока – 220±20 мм/час.

Установка обеспечивает стабилизированный  разогрев тигля в диапазоне 200–2050⁰С. Стабилизация теплового режима косвенная – по напряжению на индукторе.

Точность стабилизации напряжения на индукторе при температуре 2050⁰С не хуже ±0.05% при колебаниях в сети ±5%.

Система управления нагревом тигля (диаметром  растущего кристалла) обеспечивает как автоматическое управление напряжением  на индукторе (на базе ЭВМ “Электроника-60”), так и ручное.

Датчик веса кристалла системы  стабилизации диаметра кристалла обеспечивает:

– максимальный измеряемый вес –  не более 16 кг;

– погрешность измеряемого веса – не более 1%;

– чувствительность – не хуже 0.1 г.

На установке обеспечивается автоматическое включение двигателя и генератора – преобразователя ВПЧ после  кратковременного – до 3-х секунд – отключения питания силовых  цепей.

Все измеряемые или заданные параметры  процесса индуцируются на пульте управления по вызову оператора.

20. Печь “КО-14”.

Применяется при прокаливании реактивов  для исходной шихты.

Печь имеет камеру кубической формы  из огнеупорных шамотных кирпичей. Вся футеровка располагается  в корпусе, который представляет собой сварную конструкцию из стального листа. Нагревание печи осуществляется с помощью силитовых нагревательных стержней. Для поддержания требуемой  температуры и компенсации старения нагревательных элементов подключен  трансформатор, имеющий 9 ступеней регулировки. Переключение осуществляется с помощью  ступенчатого переключателя.

 

Таблица 4.1. Основные технические данные печи “КО-14”.

 

Наименование параметра	норма
1. Главные габаритные размеры, мм
длина	480
ширина	380
высота	430
2. Габаритные размеры камеры, мм
длинна	250
ширина	150
высота	100
3. Мощность подключения, кВт	4
4. Рабочее напряжение, В	35-100
5. Номинальная температура, 0С	1300
6. Количество нагревательных элементов	7
7. Время разогрева до номинальной  температуры, ч	5
8. Расход электроэнергии на холостом  ходу, кВт/час	3

 

21. Вспомогательное оборудование, приспособления и материалы.

Полный перечень вспомогательного оборудования, приспособлений и материалов дан в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Перечень вспомогательного оборудования.

 

Наименование	Единица измерения	Количество
Вытяжной  шкаф “IZS”	шт.	1
Весы  электронные циферблатные “Sartorius-5500S”	шт.	1
Пресс гидравлический П-10	шт.	1
Отрезной  станок “К-86-11”	шт.	1
Гониометр “ГС-1”	шт.	1
Смеситель типа “пьяная бочка”	шт.	1
Платиновый  стакан 100´100´1	шт.	1
Шпатель	шт.	5
Щипцы	шт.	8 (в год)
Бюкс  стеклянный	шт.	1 (в год)
Мерный  стакан	шт.	4 (в год)
Тигель  иридиевый 60´60´3	шт.	1
Керамический  тигель	шт.	4
Емкость для сбора отходов	шт.	3
Перчатки  резиновые	шт.	1
Рукавицы  х/б.	пара	100 (в год)
Пакет полиэтиленовый	пара	4 (в год)
Бланк паспорта	шт.	200 (в год)
Стол  лабораторный	шт.	1
Стол  письменный	шт.	5
Стол  обеденный	шт.	1
Стул	шт.	19
Шкаф	шт.	3
Шкаф  для одежды	шт.	2
Сейф	шт.	2
Диван	шт.	4
Бланк рабочего журнала	шт.	4
Авторучка	шт.	3
Карандаш	шт.	4 (в год)
Очки  защитные	шт.	2 (в год)