5.5. Устройства для создания относительного движения кристалл — раствор

Принудительное движение раствора относительно кристалла позволяет заметно увеличивать скорость роста кристалла при со­хранении его оптической однородности (§ 1.6). Поэтому выращивание

170

кристаллов ведется, как правило, в режиме вынужденной конвекции раствора.

Предложено довольно много вариантов относительного движе­ния кристалл — раствор. Почти все способы такого движения дают возможность выращивать кристаллы достаточно хорошего каче­ства. В конкретной практике, однако, часто возникают случаи, когда следует отдать предпочтение только одному - двум способам перемешивания. Это вызывается необходимостью увязывать кон­кретные особенности раствора (летучесть, вязкость, зависимость растворимости от температуры) или кристалла (преимущественное возникновение включений на определенных гранях, низкую его прочность, габитус) с особенностями способа перемешивания.

Передача движения внутрь кристаллизатора ставит вопрос о его герметизации. Нарушение герметизации приводит к некон­тролируемому изменению концентрации раствора и к попаданию в него пыли.

Все варианты движения кристалла по способу герметизации разделяются на две группы. Первая включает разные виды вра­щения, передаваемого кристаллу через различные затворы. Основ­ные требования к затворам — достаточная герметичность и исклю­чение попадания в раствор смазочных масел, а также продуктов истирания частей затвора.

Сейчас обычно используются различные затворы с сальнико­выми уплотнениями, с шарикоподшипниками или без них. В слу­чае агрессивных, жидкостей применяются уплотнения типа конус в конус, в которых фторопласт сочетается с оргстеклом. Применять такие уплотнения, сделанные только из фторопласта, нельзя, так как при трении фторопласт — фторопласт в месте контакта дета­лей образуются чешуйки и герметичность довольно быстро нару­шается. Вариант затвора удобнее всего разработать для конкрет­ной установки и условий опыта (о способах герметизации см. книгу Н. П. Черноусова и др. [1965 г.]).

Обратимся к различным видам первой группы относительного движения раствор — кристалл. Следует отметить одну общую осо­бенность видов перемешивания, основанных на вращении, — недо­статочно интенсивное перемешивание раствора в вертикальном на­правлении. В растворах с крутой зависимостью растворимости от температуры это может привести к образованию центров кристал­лизации на поверхности раствора и в итоге к его запаразичиванию.

1. Одностороннее центральное перемешивание раствора над не­подвижно лежащим на дне кристаллом (рис. 5-6, а).

2. Реверсивное центральное перемешивание раствора (рис. 5-6, б), т. е. перемешивание с периодическим изменением направления вращения.

Оба вида перемешивания находят применение при выращива­нии крупных кристаллов, не выдерживающих по тем или иным причинам механических нагрузок, возникающих в них в тех слу­чаях, когда они крепятся к движущемуся кристаллоносцу.

171

3. Одностороннее центральное вращение кристалла с осью вра­щения, совпадающей с осью кристаллоносца (рис. 5-6, в). Этот ва­риант -применяется теперь сравнительно редко, так как с его по­мощью трудно избавиться от включений раствора, которые распо­лагаются сразу за выступающими ребрами кристалла (§ 1.6).

4. Реверсивное центральное вращение кристалла с осью вра­щения, совпадающей с осью кристаллоносца (рис. 5-6, г). В этом способе кристалл периодически (обычно через 20—30 с) меняет направление своего вращения. При таком способе описанные включения обычно не образуются. Периодическое изменение на­правления вращения оси мотора возможно у трехфазного двига­теля с помощью специального устройства (рис. 5-7). В этом уст­ройстве тихоходный моторчик (частота вращения 0,033 с^-1), с по­мощью кулачкового механизма перебрасывает фазы.

5. Эксцентричное одностороннее вращение кристалла (рис. 5-6, д) обычно приводит к неравномерному развитию крис­талла, а иногда и к включениям раствора в секторах роста гра­ней, задних по отношению к движению.

6. Эксцентричное реверсивное вращение кристалла (рис. 5-6, е), как и предыдущий способ, требует относительно большого диа­метра кристаллизатора.

172

7. Планетарное враще­ние кристалла (рис. 5-6,ж) предложенное В. А. Моки-евским. Оно отличается от других способов тем, что кристалл с помощью специ­ального механического уст­ройства двигается по окружности в растворе, вращаясь в то же время вокруг собственной оси. Мы не видим больших пре­ имуществ в нем, скажем, перед реверсивным враще­нием кристалла. Он кон­структивно сложнее, а ме­ханическое устройство, по­мещающееся в кристалли­заторе над раствором, может служить источником загрязнений раствора.

Частоты центрального вращения составляют 1—3,5 с^-1. Час­тоты эксцентричного, планетарного вращения обычно не превы­шают 1,5 с^-1. Большие скорости, особенно для крупных кристаллов, могут оказаться гибельными, так как тогда кристаллы растрески­ваются в участках, прилегающих к кристаллоносцу. Кроме того, применение больших скоростей сдерживается тем, что увеличи­вается вероятность запаразичивания раствора. Это может быть ре­зультатом растрескивания, царапания поверхности кристалла пы­линками при не очень хорошей очистке раствора и результатом кавитационных явлений, возникновению которых способствует на­личие острых ребер на кристалле. Кроме того, увеличение ско­рости движения выше некоторого значения не имеет смысла по той причине, что скорость роста довольно быстро перестает зави­сеть от интенсивности перемешивания (§ 1.6). Теория и техника перемешивания жидкости подробно рассмотрены Ф. Стренком [1975 г.].

При выращивании пластинчатых кристаллов способы переме­шивания растворов путем вращения часто не дают удовлетвори­тельных результатов. В этих случаях предпочтительны другие способы.

Вторая группа способов движения включает разные варианты, в которых затворы отсутствуют. Эти способы позволяют более легко герметизировать кристаллизатор и в ряде случаев добиться высокой чистоты при проведении экспериментов.

8. Возвратно-поступательное движение. Этот способ движения (рис. 5-6, з) не уступает по эффективности лучшим способам вра­щения. Наиболее рациональными являются частоты 1—3 с^-1.

Преобразование вращательного движения мотора в возвратно-поступательное движение осуществляется с помощью кривошипно-

173

шатунного механизма. Так как герметизацию кристаллизационного сосуда (см. ниже) при больших амплитудах качания осуществить без затворов затруднительно, то возвратно-поступательный метод движения используется при выращивании небольших кристаллов, когда амплитуда качания составляет 10—30 мм.

Скорость движения кристалла относительно раствора при ис­пользовании этого способа движения изменяется примерно по си­нусоидальному закону, имея максимум вблизи точки, равноуда­ленной от точек перемены знака движения. Максимальная ско­рость движения кристалла равняется линейной скорости движения по окружности, которую имеет ось сочленения шатуна с кривоши­пом. Эта скорость (υ_M), имеющая, видимо, решающее значение для формирования диффузионного слоя около кристалла, опреде­ляется по формуле

Из формулы следует, что одна и та же скорость может в прин­ципе задаваться любой подходящей комбинацией А и υ. Однако понятно, что амплитуда движения должна быть больше ожидае­мого размера кристалла. В противном случае кристалл, колеблясь, все время будет находиться в зоне обедненного раствора. Движе­ние его будет тем более плавным, чем длиннее шатун по сравне­нию с кривошипом. Вопросы массопереноса в условиях такого движения специально рассматривались И. Н. Фиклистовым и Г. А. Аксельрудом [1963 г.].

Герметизация кристаллизатора при описываемом способе дви­жения осуществляется сравнительно просто. При больших диамет­рах кристаллизатора (10 см и более) роль крышки играет резино­вая перепонка (рис. 5-8, а), в которой резиновыми пробками жестко фиксируется кристаллоносец. В случае применения крис­таллизаторов меньшего диаметра применяются мембранные коробки (рис. 5-8, б)

174

или сильфоны. Мембранные ко­робки изготавливаются пу­тем склейки краев двух круглых кусков тонкой резины, в одном из которых сделано отверстие для на­тягивания резины на край кристаллизатора.

9. Методом перемешива­ния раствора, обеспечиваю­щим удобство работы и от­личную герметизацию крис­таллизатора, является ка­чание кристаллоносца в го­ризонтальном направлении (рис. 5-6, и). Для обеспече­ния качания используется простое устройство, изобра­женное на рис. 5-9. На оси 2 двигателя с частотой вращения 0,5-1,5с^-1 жест­ко укреплена планка 3. В планке укреплена вра­щающаяся ось 1 водила 5. Для надежности ось во­дила следует укреплять в подшипнике. Водило име­ет продольный паз, к кото­рому пружинкой (на рис. 5-9 не показана) поджимается кристаллоносец 4. Водило легко скользит вдоль крис­таллоносца вверх—вниз при вращении планки и, таким образом, задает качание кристаллоносца с центром в точке его со­единения с резиной. Этот же способ движения позволяет при не­обходимости хорошо перемешивать раствор над неподвижно ле­жащим! на дне кристаллизатора кристаллом. Недостаток способа тот же, что и в вариантах 5 и 6.

10. К этой же группе способов относится способ, предложен­ный В. Н. Войцеховским (рис. 5-6, к). Здесь на оси вертикально укрепленного тихоходного мотора закреплен крючок, который при вращении тянет кристаллоносец. Так как кристаллоносец закреп­лен в эластичной крышке кристаллизатора (резиновой или полиэтиленовой), то кристалл описывает в растворе круги, при­чем по своему характеру движение наиболее сходно с плане­тарным.

11. К способам вращения, в котором нет проблемы герметиза­ции, можно отнести магнитную мешалку (рис._. 5-6,л). Однако обработка

175

растворов в магнит­ных полях приводит иногда к существенным изменениям физических свойств водных ра­створов. В том, как влияет маг­нитная обработка растворов на рост и качество кристаллов, нет ясности.

12. Весьма эффективен ме­тод В. Ф. Парвова [1965], при­менившего помпу для переме­шивания жидкости около кристалла. Помпа устанавли­вается прямо внутри кристал­лизатора и создает направ­ленную на кристалл струю раствора.

В устройствах, где крис­талл движется относительно раствора, можно использовать моторы мощностью 5—10 Вт на валу, если масса крис­талла не превышает 1 кг. При этом лучше ставить бескол­лекторные моторы на шарико­вых подшипниках, так как эти двигатели долговечнее, ско­рость их вращения более по­стоянна и они меньше шумят.

В случае если в наличии имеются быстроходные моторы и необходимо уменьшить скорость вращения, чаще всего используют фрикционные зацепления с помощью шкивов. Такое зацепление наиболее надежно при использовании пар: резина со стеклом, пластмассой или металлом. Шкив, вращающийся с большей скоростью, лучше делать из более износоустойчивого материала. Более надежным, чем прямое фрикционное зацепление ось мотора — шкив, является система с резиновым паразитным (промежуточным) фрикционным шкивом, который по мере истира­ния прижимается пружиной к оси мотора и ведомому шкиву (рис. 5-10). Такая система обеспечивает также неизменность ча­стоты вращения при износе паразитного шкива.

Наиболее надежны, но и более сложны в изготовлении редук­торы с зубчатыми или червячными зацеплениями. Для бесшумной работы таких редукторов предпочтительны косозубые шестерни из пластмасс.

На надежность и долговечность описываемых механизмов сле­дует обратить самое серьезное внимание.

176