新型KDP晶體生長方式流動與傳質特性數值模擬及實驗研究.pdf

1、磷酸二氫鉀（KDP）晶體具有非常優(yōu)良的非線性光學特性，是目前唯一可用于慣性約束核聚變的激光點火材料，快速地生長出高質量的KDP晶體具有重要的實際價值。該晶體生長是在水溶液中進行，溶液的流動對晶體的生長具有重要影響。對流一方面能顯著地促進生長所需的物質輸運，提高晶體的生長速度；另一方面對流可能會引起晶體表面形貌失穩(wěn)，導致包裹物缺陷的產生，降低晶體生長質量。
　　晶體表面形貌失穩(wěn)是包裹物形成的重要原因，晶面形貌穩(wěn)定與否取決于晶/液界面

2、上的對流傳質特征。晶體附近溶液流動和晶面濃度（或過飽和度）分布是相界面對流傳質情況的直接反映。但是，由于復雜的幾何結構以及晶體的高速運動，實時獲得生長過程中的溶液流動和過飽和度分布情況，目前的實驗手段幾乎不能實現。因此，數值模擬是研究溶液法晶體生長流動與傳質的一種必要手段。
　　基于以上背景，本文從工程熱物理學科角度出發(fā)，利用數值模擬手段分析和討論了特定運動方式下KDP晶體生長晶/液相界面的對流傳質特征。針對傳統(tǒng)轉晶法存在的不足，

3、設計和提出了兩種新型的晶體運動方式，以求在利用對流提高晶體生長速度的同時，提高晶體的生長質量。采用數值模擬和實驗研究相結合的方式，證明了所提出的新型晶體生長方式更有利于晶面形貌保持穩(wěn)定和提高晶體生長質量。具體的研究內容如下：
　?。?）實時模擬了轉晶法KDP晶體生長過程中，晶面過飽和度分布和變化情況。結果表明：隨著晶體的加、減速轉動，晶面過飽和度大小和分布規(guī)律隨之變化，單位周期內晶面過飽和度有較大波動。轉晶法中，晶面過飽和度分布較

4、不均勻；隨著晶體尺寸的增長，晶面過飽和度場不穩(wěn)定，單位周期內晶面過飽和度波動加劇；此種過飽和度分布和變化特征不利于晶面形貌保持穩(wěn)定，易導致生長缺陷的產生。
　　（2）在分析總結導致晶體質量下降的水動力學原因基礎上，根據對流對晶面形貌穩(wěn)定性影響機理，提出了晶體作三維運動的溶液晶體生長方法。模擬了該方法KDP晶體生長過程中，晶面附近的流動和物質輸運情況。同時，開展了三維運動法和轉晶法KDP晶體生長對比實驗。模擬結果表明，運動速度的增加

5、在提高晶面過飽和度大小的同時，提高了其分布均勻性，同時有助于晶體生長速度和生長質量；運動距離對晶面過飽和度場影響較??；體過飽和度的提高能顯著提高晶面過飽和度大小，但會損壞其分布均勻性。三維運動法中，晶面附近大部分區(qū)域溶液流動方向能周期性交替反轉；自然對流作用僅在較低運動速度時較為顯著；物質輸運和表面反應都對晶體的生長有限制作用。與轉晶法相比，三維運動法晶面過飽和度分布更為均勻，晶面形貌更為穩(wěn)定。實驗結果確認，三維運動法生長出的晶體質量優(yōu)

6、于轉晶法。
　?。?）在證明了三維運動法優(yōu)勢前提下，結合KDP晶體應用實際，即：需要尺寸達20cm-50cm的晶體，對工業(yè)級尺寸的KDP生長過程進行了三維、時相關、湍流模擬，以驗證三維運動法是否適用于KDP晶體的實際生產。比較討論了工業(yè)級KDP晶體生長時，溶液流動和晶面過飽和度分布特征；分析了湍流對生長界面?zhèn)髻|特性的影響；考察了晶面過飽和度場隨晶體長大過程的變化。對比了大、小尺寸晶體生長時，相關考察參數的差異。結果表明：雖然晶體尺

7、寸大幅增加，但工業(yè)級KDP晶體生長過程中，晶面附近總體的流動特征與小尺寸晶體生長時類似。此時，僅尾流錐面中心附近的流動特征發(fā)生了變化，使得錐面中心的過飽和度明顯降低。湍流極大地促進了晶/液界面上的物質輸運，Damkohler數顯著提高。晶體尺寸的增加會擴大晶面邊緣和中心的過飽和度差異，但能降低晶面過飽和度梯度。與小尺寸晶體生長相比，工業(yè)級KDP晶體生長時，相關的考察參數更為優(yōu)異。這些分析結果表明，三維運動法在KDP晶體工業(yè)生長中優(yōu)勢將更

8、為突出。
　　(4)針對三維運動法中晶體固定在擎晶桿上可能會導致應力集中的問題，提出了帶頂板或托盤的二維運動生長方法。針對該方法生長工業(yè)級KDP晶體過程，進行了數值模擬。在模擬結果指導下，開展了KDP晶體生長實驗。模擬結果表明：運動速度對晶面過飽和度場影響最為顯著，運動速度的增加同時有助于晶體生長速度和生長質量的提高。延長運動距離對晶面平均過飽和度和均方差影響較小，但會提高晶面的過飽和度梯度。隨著晶體的長大，晶面過飽和度梯度顯著下

9、降。采用擺放方式（b），能進一步改進晶/液界面的對流傳質特性，提高晶面形貌穩(wěn)定性。相比于轉晶法，二維運動法單位周期內晶面過飽和度波動較小；錐頂附近自然對流作用較弱；晶面附近溶液流動能夠交替反向；這些特征更有助于晶面形貌保持穩(wěn)定，提高晶體生長質量。晶體生長實驗表明：隨著運動速度的增加，晶體的生長速度和生長質量都有提高；晶體擺放由方式（a）改變?yōu)榉绞剑╞）后，生長質量有進一步提高；相同生長條件下，二維運動法生長出的晶體，質量上優(yōu)于轉晶法生長