Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для выращивания кристаллов из раствора при постоянной температуре

Изобретение относится к области кристаллографии, а более конкретно к устройствам для выращивания кристаллов из растворов, например, к технике скоростного выращивания кристаллов группы КДР (KH₂PO₄) при условии поддержания в процессе роста постоянной температуры и концентрации раствора.

Кристаллы КДР и кристаллы дейтерированного ДКДР (KD₂PO₄) дигидрофосфата калия широко применяются в качестве нелинейных оптических кристаллов и сегнетоэлектриков. Наиболее часто используемым электрооптическим кристаллом является ДКДР с дейтерированием более 95%. Эти кристаллы выращивают путем кристаллизации из водного раствора. Учитывая этот фактор, выращивание названных кристаллов высокого качества имеет большое практическое значение.

Известно устройство для выращивания кристаллов типа КДР из раствора, содержащее кристаллизатор, включенный в гидравлический контур циркуляции раствора, в котором установлен насос, фильтр и нагреватель. В этом устройстве входной и выходной патрубки кристаллизатора соединены перепускным каналом, причем перепускной канал и входной патрубок снабжены клапаном с регулируемым дросселем.

Перепускной канал включен в контур циркуляции раствора, в котором температура существенно выше температуры насыщенного раствора. Концентрация вещества в таком перегретом растворе равна концентрации вещества, выходящего из кристаллизатора (патент РФ RU 2285068, "Способ выращивания кристаллов из раствора и устройство для его осуществления", МПК С30В 7/08, опубл. 10.10.2006, приор. 18.03.2005 г.

Основным недостатком данного технического решения является то, что в таком кристаллизаторе нельзя выращивать, например, кристаллы КДР с высокой степенью дейтерирования т.е. более 95%, поскольку кристаллы с такой степенью дейтерирования можно выращивать при температуре ниже 40°С [L.N. Rashovich,//KDP-family Single Crystal, «AdamHilger, Bristol, Philadelphia and NewYork», 1991, p. 16.]

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего выращивание кристаллов группы КДР при постоянной температуре раствора и его постоянной концентрации, при температурах близким к комнатной.

Технический результат - получение кристаллов группы KDP высокого качества.

Поставленные техническая задача и результат достигаются устройством для выращивания кристаллов из раствора при постоянной температуре, содержащим кристаллизатор, снабженный гидравлическим контуром циркуляции раствора, в котором установлен насос, фильтр и регулируемый дроссель, подключенный через штуцер к кристаллизатору, к последнему двумя гидравлическими линиями подключен компенсационный сосуд, одна из которых – выходная - соединяет выходной патрубок кристаллизатора непосредственно с выходным патрубком компенсационного сосуда, а другая – входная - соединяет линией контура циркуляции раствора выходной патрубок кристаллизатора с входным патрубком компенсационного сосуда, при этом компенсационный сосуд снабжен крышкой с кольцевым выступом вокруг сквозного отверстия, на крышке с зазором относительно выступа размещен конденсатор, к полости между выступом крышки и внутренней стенкой конденсатора, предназначенного для сбора конденсата, подключен патрубок с клапаном, обеспечивающим периодический слив конденсата, в крышке дополнительно выполнено отверстие для установки дозирующего средства подачи соли или лома кристаллов в компенсационный сосуд, кристаллизатор снабжен датчиком температуры раствора, подключенным к средству термостатирования кристаллизатора, а компенсационный сосуд снабжен датчиком температуры, подключенным к нагревателю, размещенному в линии связи сосуда с контуром циркуляции раствора в кристаллизаторе.

Средство термостатирования кристаллизатора может быть выполнено в виде рубашки водяного охлаждения или воздушного вентилятора. Дозирующее средство подачи соли, примесей или лома кристаллов в крышке компенсационной емкости может быть выполнено в виде воронки, либо в виде перфорированного контейнера, заполненного солью, примесью или ломом кристаллов. Конденсатор имеет сферическую форму. В компенсационной емкости может устанавливаться мешалка.

Схема предлагаемой установки представлена на чертеже.

Устройство содержит кристаллизатор 1, внутри которого на кристаллоносце 2 размещается кристалл 3. Температура раствора в кристаллизаторе 1 замеряется датчиком температуры 4, подключенным через контроллер 5 к вентилятору 6. Поступление раствора в кристаллизатор осуществляется через линию 7, насос 8, фильтр 9, линию 10 и регулируемый дроссель 11. Выходной штуцер кристаллизатора 1 линией 12 подключен непосредственно к компенсационному сосуду 13. Линия 14 связывает циркуляционный контур с сосудом 13. В линии 14 размещен нагреватель 15. Сосуд 13 снабжен крышкой 16, на которой установлен конденсатор 17. С целью равномерного стекания конденсата растворителя по внутренней стенке конденсатор имеет сферическую форму. Для интенсификации установления однородности циркулирующего раствора в компенсационной емкости 13 применяется мешалка 18. Слив раствора из кармана между выступом крышки 16 и внутренней поверхностью конденсатора 17 производится через клапан 19 в емкость 20. Датчик температуры 21 раствора в компенсационной емкости 13 через контроллер 22 подключен к нагревателю 15. В крышке 16 выполнено отверстие, в котором размещен дозатор 23.

Установка функционирует следующим образом.

После заполнения системы раствором и выхода ее на рабочий режим обеспечивают поддержание в кристаллизаторе 1 температуры роста кристалла Т_рост., которая может быть равна температуре насыщения Т_нас, если рост осуществляется контролируемым введением вещества в раствор в компенсационную емкость 13 через дозатор 23, или ниже температуры насыщения Т_нас., если в процессе роста кристалла сконденсированный растворитель отводят из компенсационного сосуда. Температура циркулирующего раствора Т всегда выше температуры насыщения Т_нас.. Такая температура Т в компенсационной емкости 13 поддерживается нагревателем 15. Кроме того, через нее постоянно циркулирует раствор...Это осуществляют путем подачи в нее раствора через линию 7, соединенную с выходным патрубком кристаллизатора, насос 8, фильтр 9, линию 14 и нагреватель 15. Нагреватель 15 включается контроллером 22 по сигналу от датчика температуры 21

Часть раствора по линии 10 через регулируемый дроссель 11 поступает в кристаллизатор 1. Температура в кристаллизаторе 1 поддерживается в режиме Т_рост.=Т_нас.<Т или Т_рост.<Т_нас<Т благодаря охлаждению кристаллизатора вентилятором 6. Включение этого вентилятора производится контроллером 5 по сигналу от датчика 4 температуры в кристаллизаторе 1. Кроме вентилятора возможно применение водяной рубашки вокруг корпуса кристаллизатора, По мере роста кристалла 3, размещенного на кристаллоносце 2, происходит уменьшение концентрации раствора. Для поддержания концентрации раствора в заданном диапазоне необходимо или отводить из него часть растворителя (воды.) или вводить в циркулирующий раствор такое же количество вещества, какое пошло на прирост кристалла. Это достигается тем, что вода в компенсационном сосуде 13 (из-за того, что Т>Т_нас.) испаряется и ее пары конденсируются на стенке конденсатора 17. Конденсат стекает в полость кармана, образованного между стенкой конденсатора 17 и крышкой 16 компенсационной емкости 13. Слив воды из названного кармана в емкость 20 может производиться автоматически или вручную путем открытия клапана 19. Перемешивание раствора в полости компенсационной емкости 13 обеспечивают посредством мешалки 18. Для повышения концентрации вещества в циркулирующем растворе возможно непосредственное добавление в раствор в компенсационной емкости 13 соли или мелких некондиционных кристаллов. Это достигается применением дозатора 23. Последний может быть выполнен в виде перфорированного цилиндра заполненного солью, примесями или мелкими кристаллами. Возможно также применение воронки, через которую загружают названные ингредиенты.

Следует отметить, что режим Т_рост.=Т_нас очень удобен при затравке кристаллизатора. При этом режиме затравка ни растет, ни растворяется и режимом ее регенерации легко управлять, добавляя с помощью дозатора 23 в циркулирующий раствор необходимое количество вещества. Затравку при этом режиме почти невозможно потерять.

Пример работы кристаллизатора.

В кристаллизаторе 1 выращивался кристалл КДП (КН₂РО₄). Температура насыщения (Т_нас.) была близка к комнатной и составляла 35°С. Насыщенный раствор перегревался до 60°С, фильтровался через ядерный фильтр с порами 0,02 мк, а затем при этой температуре заливался в кристаллизатор 1 и компенсационную емкость 13. Объем всей системы составлял примерно 3,5 литра. Включался насос 8 и в системе начиналась постоянная циркуляция раствора. С помощью жидкостного термостата стенки кристаллизатора 1 охлаждались до температуры 40°С. В кристаллизатор была введена прогретая до указанной температуры «точечная» затравка. Температура раствора в компенсационной емкости 13 все время поддерживалась постоянной и была равна 60°С. При этой температуре происходит хорошее испарение растворителя (воды). Затем температура в кристаллизаторе 1 была понижена до температуры роста 30°С (Т_рост..), включена терморегуляция. и с помощью регулировочного винта на дросселе 11 установлено необходимое поступление перегретого до 60°С раствора из компенсационной емкости в кристаллизатор 1. Таким образом, выращивание кристалла КДП велось при постоянной температуре 30°С., а температура в компенсационной емкости 13 составляла 60°С при постоянной циркуляции части раствора через кристаллизатор 1. Чтобы пересыщение раствора не изменялось при росте кристалла, из кармана между выступом крышки 16 и внутренней поверхностью конденсатора 17 (сборник конденсата) периодически вручную, отбирался растворитель (вода) по 5 мл.

Полученный кристалл имел чистые грани и хорошую форму. Скорость роста по оси Z составляла более 10-11 мм / сутки.

Проведенные эксперименты подтвердили возможность выращивания качественных кристаллов КДР в промышленных масштабах.