吳艷芳

(重慶三峽學院，重慶 404020)

KDP(磷酸二氫鉀，KH2PO4)類晶體，在激光技術中的變頻、光快速開關與電光調(diào)制等技術領域中被廣泛應用[1]。目前，作為慣性約束核聚變工程(ICF)的首選材料，還沒有性能更加優(yōu)良的材料可以替代大尺寸的KDP。激光核聚變技術的快速發(fā)展，對KDP晶體的尺寸、光學質(zhì)量和數(shù)量提出了越來越高的要求，同時也提高了制備KDP技術的要求[2]。溶液降溫法，其基本原理是利用晶體物質(zhì)較大的正溶解度溫度系數(shù)，將在一定溫度下配制的飽和溶液，在封閉的狀態(tài)下保持溶劑總量不變，逐漸降低溫度，使溶液成為過飽和溶液，析出的溶質(zhì)不斷結晶在籽晶上，是從溶液中培養(yǎng)KDP晶體的一種常用方法[3]。

使用溶液降溫法制備KDP時，為了保證溶液溫度均勻分布，使生長晶體的各晶面在過飽和溶液中能夠得到均勻的溶質(zhì)供應，要求晶體在溶液中不停地做相對運動。該相對運動一般采用轉(zhuǎn)晶法(轉(zhuǎn)動晶體)來實現(xiàn)，即在固定有籽晶的掣晶桿上接一臺步進電機來實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)。圖1所示為一種典型的轉(zhuǎn)晶式溶液降溫法晶體生長裝置[4]。

圖1 轉(zhuǎn)晶式溶液降溫法晶體生長裝置示意圖

轉(zhuǎn)晶式溶液降溫法的晶體生長實驗，結果發(fā)現(xiàn)其生長的晶體時常會出現(xiàn)各種不同程度的透明度差、裂紋等晶體缺陷[3]。

1 三軸運動式晶體生長驅(qū)動機構

圖2 晶體運動示意圖

文章研究用一伺服電機驅(qū)動的運動軌跡、運動參數(shù)可變的三軸運動晶體生長驅(qū)動機構取代步進電機，帶動掣晶桿做三軸直線運動。圖2所示為晶體運動示意圖，O為運動起始點，即籽晶的運動起始位置，這一位置可通過設計的控制軟件隨意更改和設置。晶體運動采用多周期循環(huán)運動的方式，即晶體生長驅(qū)動機構帶動籽晶由O點開始，按照控制軟件中設定的運動軌跡、速度、距離沿著±x、±y、±z六個方向進行直線運動并最終回到起點O，完成一個運動循環(huán)。一個運動循環(huán)結束，下一個運動循環(huán)立刻開始，直至所設定的運動循環(huán)次數(shù)即周期數(shù)全部完成，運動停止。

1.1 結構及硬件組成

圖3 晶體生長驅(qū)動機構三維結構圖

三軸運動式晶體生長驅(qū)動機構三維結構圖如圖3所示，其硬件組成如圖4所示，主要包括運動執(zhí)行部件、運動控制部件、運動輔助部件三部分。

圖4 晶體生長驅(qū)動機構硬件組成框圖

伺服電機因為其能夠通過電機高精度編碼器實時反饋位置數(shù)據(jù)，通過伺服驅(qū)動器實現(xiàn)閉環(huán)控制，因此，具有運行精度高、平穩(wěn)、響應快速等優(yōu)點，控制性能相較于步進電機和傳統(tǒng)三相異步電機更可靠[5]。文章設計選用型號為GYS401D5-RC2的，帶編碼器反饋的松下伺服電機。電機驅(qū)動的移動平臺稱為KK模組，由滾珠絲桿和線性滑軌導引構成，其滑座同時為滾珠絲桿的驅(qū)動螺帽及線性滑軌的導引滑塊。文章研究中選用的是HIWIN公司生產(chǎn)的型號為KK6005C-200A1-F0及KK6005C-300A1-F0的模組。

MPC08SP運動控制卡是一款通用控制器，用來完成運動控制的所有細節(jié)(包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。KK模組移動平臺的兩端極限位置都安裝有一個限位開關，當觸碰限位開關時，模組運動自動停止，避免運動超限破壞生長機構。

圖5 晶體生長驅(qū)動機構實物圖

使用鋁合金材料制成運動執(zhí)行結構的支撐架，高度可調(diào)使得支撐架能夠用于不同尺寸規(guī)格的恒溫水浴箱。同時支撐架和底板一起，利用其自身重量保持機構的穩(wěn)定性，在電機啟動停止的瞬間減輕沖擊振動。

三軸運動式晶體生長驅(qū)動機構實物圖如圖5所示。

1.2 控制軟件

晶體生長驅(qū)動機構控制軟件采用VB[6-9]編程語言設計用戶界面，并通過調(diào)用運動控制卡動態(tài)鏈接庫的相關函數(shù)來編寫程序，實現(xiàn)晶體生長驅(qū)動機構的運動控制。軟件組成框圖如圖6所示，軟件操作流程圖如圖7所示。

圖6 軟件組成框圖

圖7 軟件操作流程圖

為防止意外情況發(fā)生，系統(tǒng)初始化后，“開始”按鈕默認不可用。運動參數(shù)設定好后，“參數(shù)校驗”功能用來完成各運動參數(shù)的自動檢查。若有運動參數(shù)設定錯誤(如：某軸運動距離設定值超過系統(tǒng)允許最大值，某軸運動速度設定值超過允許最大值等)，軟件會彈出相應錯誤警告，指出具體錯誤所在，按照提示內(nèi)容修正即可。參數(shù)校驗通過后，“開始”按鈕變成可用狀態(tài)。

為實時監(jiān)測機構運動狀態(tài)，運動狀態(tài)實時監(jiān)測模塊利用相關函數(shù)讀取各軸運動速度值及其上安裝的伺服電機編碼器反饋信號，確定各軸運動速度及當前位置值并實時顯示。此外，設定的總運動周期數(shù)及當前剩余周期數(shù)亦可實時顯示。

2 晶體生長實驗

用純度較高的KDP原料配制飽和溶液，用吊晶法準確測量飽和點溫度，采用溶液降溫法分別在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶式及晶體生長驅(qū)動機構驅(qū)動方式下生長KDP晶體。使用美國PolyScience公司的9612型溫控儀，控溫精度0.01 ℃，籽晶采用尺寸為2 mm×2 mm×4 mm的優(yōu)質(zhì)點狀籽晶，并用環(huán)氧膠固定在掣晶桿上。兩種晶體生長方式下的運動參數(shù)如表1所示。

兩種方式下的晶體生長時間均設定為48 h。此外，保證兩種方式下其他培養(yǎng)條件完全一致。

表1 兩種方式下的運動參數(shù)對比

圖8所示為兩種晶體運動方式下長成的KDP晶體照片，圖中坐標紙每一小格為1 mm。圖8(a)中為使用晶體生長驅(qū)動機構帶動摯晶桿做三軸直線循環(huán)運動所長成的KDP晶體，圖8(b)中為轉(zhuǎn)晶法長成的KDP晶體。可以看出，三軸運動式晶體生長驅(qū)動機構生長的KDP晶體邊緣及表面更為光滑平整，形狀更規(guī)則，透明度更好，且沒有裂紋，在相同的生長時間內(nèi)，其培養(yǎng)的KDP晶體尺寸為40 mm，較轉(zhuǎn)晶法長成的KDP晶體更大。

圖8 不同晶體運動方式下長成的KDP晶體照片

3 結論

通過不同晶體運動方式下的KDP晶體生長實驗，可得到以下結論：

1)設計的運動軌跡及運動參數(shù)可變的三軸運動晶體生長驅(qū)動機構在硬件和軟件方面都能很好地滿足晶體生長實驗的要求。軟件界面友好，易于操作，且可以實現(xiàn)晶體運動軌跡、運動參數(shù)的任意變化。

2)利用三軸運動式晶體生長驅(qū)動機構長成的KDP晶體較之相同培養(yǎng)條件下轉(zhuǎn)晶法長成的KDP晶體，其邊緣及表面更為光滑平整，形狀更規(guī)則，透明度更好，且沒有裂紋，從而說明利用設計的晶體生長驅(qū)動機構培養(yǎng)KDP晶體能顯著改善晶體性能，有效解決傳統(tǒng)轉(zhuǎn)晶法生長KDP晶體時容易出現(xiàn)裂紋、透明度差等晶體缺陷問題。此外，通過兩種晶體的尺寸比較可知晶體生長驅(qū)動機構培養(yǎng)的KDP晶體尺寸更大，考慮到兩種晶體的生長時間相同，說明利用該生長驅(qū)動機構生長晶體的效率更高。