一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置

摘要

本发明属于冶金熔炼技术领域，特别涉及一种电子束熔炼用的辐射拦截专用装置。装置中辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方，且通过滑动悬挂杆活动安装于炉壁的顶部，辐射拦截罩与滑动悬挂杆之间通过悬挂铰接扣活动连接，辐射拦截罩为球面形状，其凹面朝下，凹面聚焦点位于熔炼坩埚中心，其上还开有一个圆弧形缺口。本发明设备具有结构简单，功能实用，制作方便的优点，辐射拦截罩可将硅熔体的热辐射、被硅熔体表面反射的电子束束流拦截回来，重新作用于硅熔体表面，大大提高了电子束能量利用率，提高幅度达20~50%。

权利要求

1.一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，包括辐射拦截罩，滑动悬挂杆和真空熔炼装置，真空熔炼装置中，炉壁（4）内部为熔炼室（8），炉壁上安装有炉门（7），水冷托盘（13）固定安装于炉壁（4）底部，水冷托盘上开有进水口（11）和出水口（12），熔炼坩埚（9）固定安装于水冷托盘之上，真空泵组（1）固定安装于炉壁之上，电子枪（3）固定安装于炉壁顶部，其特征是：辐射拦截罩（6）位于熔炼坩埚上方，且通过滑动悬挂杆（2）活动安装于炉壁的顶部，辐射拦截罩（6）与滑动悬挂杆（2）之间通过悬挂铰接扣活动连接，所述辐射拦截罩为球面形状，其凹面朝下，凹面聚焦点位于熔炼坩埚中心，其上还开有一个圆弧形缺口（15）。

2.根据权利要求1所述的一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，其特征是：所述辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方10-30cm，其正投影为圆形，半径为15-40cm。

3.根据权利要求1所述的一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，其特征是：所述辐射拦截罩材质为石英、304不锈钢、石墨或铜。

4.根据权利要求1所述的一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，其特征是：所述滑动悬挂杆为3-5根，每根滑动悬挂杆安装有独立的驱动装置。

5.根据权利要求1所述的一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，其特征是：所述圆弧形缺口的半径为5-10cm。

说明书

一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置

技术领域

[0001] 本发明属于冶金熔炼技术领域，特别涉及一种电子束熔炼用的辐射拦截专用装置。

背景技术

[0002] 目前，世界范围内制备太阳能电池用多晶硅材料已形成规模化生产，主要制备方法是改良西门子法，但其综合电耗高达170kW·h/kg，并且生产呈间断性，无法在Si的生产上形成连续作业，并且此法在流程的核心环节上采取了落后的热化学气相沉积，工艺流程的环节过多，一次转化率低，导致流程时间太长，增加了材耗、能耗成本。

[0003] 为此，世界各国都在积极探索制备高纯硅材料的全新工艺方法，其中冶金法制备多晶硅由于具有生产周期短、污染小、成本低、工艺相对简单、规模大小可控等特点，被认为是最能有效地降低多晶硅生产成本的技术之一，目前已成为世界各国竞相研发的热点，电子束熔炼技术是冶金法制备太阳能级硅中重要的方法之一，它是利用高能量密度的电子束作为熔炼热源的工艺方法，可以有效降低多晶硅中的磷、铝、钙等蒸发性杂质，现有电子束熔炼过程中采用的坩埚多为水冷铜坩埚，这主要是由于其可重复利用，避免二次污染等优点。

[0004] 由于熔炼过程中，硅材料与水冷铜坩埚直接接触，其导热性能比较好，致使水冷系统带走的热量较多，以前的坩埚设计者主要从减少水冷系统带走的热量入手来提高电子束能量的利用率，例如：增加坩埚衬底等方式。该方式虽能提高电子束能量利用率，但是不能无限制提高电子束能量利用率，如若想继续提高坩埚的能量利用率，还需要从其它方面入手。

发明内容

[0005] 本发明为克服上述不足问题，提供一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置。该装置结构简单，采用辐射拦截罩将反射的热辐射和电子束能量拦截后反射回熔炼坩埚中继续作用于熔体之中，提高了电子束能量的利用效率。

[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，包括辐射拦截罩，滑动悬挂杆和真空熔炼装置，真空熔炼装置中，炉壁内部为熔炼室，炉壁上安装有炉门，水冷托盘固定安装于炉壁底部，水冷托盘上开有进水口和出水口，熔炼坩埚固定安装于水冷托盘之上，真空泵组固定安装于炉壁之上，电子枪固定安装于炉壁顶部，其特征是：辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方，且通过滑动悬挂杆活动安装于炉壁的顶部，辐射拦截罩与滑动悬挂杆之间通过悬挂铰接扣活动连接。

[0007] 所述辐射拦截罩为球面形状，其凹面朝下，凹面聚焦点位于熔炼坩埚中心，其上还开有一个圆弧形缺口。

[0008] 所述辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方10-30cm，其正投影为圆形，半径为15-40cm。

[0009] 所述辐射拦截罩材质为石英、304不锈钢、石墨或铜。

[0010] 所述滑动悬挂杆为3-5根，每根滑动悬挂杆安装有独立的驱动装置。

[0011] 所述圆弧形缺口的半径为5-10cm。

[0012] 本发明设备结构简单，功能实用，该装置具有以下优点：

[0013] 1. 辐射拦截罩可对硅熔体的热辐射进行拦截，通过拦截硅液面的辐射，使辐射被反射重新作用于硅液面，有效的减少了由于热辐射损失的能量，提高了电子束设备的能量利用率。

[0014] 2. 辐射拦截罩不仅能够拦截由于硅熔体产生的辐射，而且能够拦截电子束反射的能量，前人的研究表明，电子束能量利用率只有75%左右，主要原因是由于电子束轰击硅熔体液面时有25%的能量被反射，辐射拦截罩可以将该反射能量进行拦截，用于硅熔体的熔炼。

[0015] 综上，本发明提供一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，具有制作方便的优点，该辐射拦截装置可将硅熔体的热辐射、被硅熔体表面反射的电子束束流拦截回来，重新作用于硅熔体表面，大大提高了电子束能量利用率，提高幅度达20~50%。

附图说明

[0016] 图1为一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置的结构简图。

[0017] 图2为图1中辐射拦截罩的俯视结构图

[0018] 图中：1.真空泵组，2.滑动悬挂杆，3.电子枪，4.炉壁，5.电子束，6.辐射拦截罩，7.炉门，8.熔炼室，9.熔炼坩埚，10.熔融液体，11.进水口，12.出水口，13.水冷托盘，14.悬挂铰接扣，15.缺口

具体实施方式

[0019] 下面结合具体实施例及附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。

[0020] 实施例1

[0021] 如附图1和图2所示，一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，包括辐射拦截罩，滑动悬挂杆和真空熔炼装置，真空熔炼装置中，炉壁4内部为熔炼室8，炉壁上安装有炉门7，水冷托盘13固定安装于炉壁4底部，水冷托盘上开有进水口11和出水口12，熔炼坩埚
9固定安装于水冷托盘之上，真空泵组1固定安装于炉壁之上，电子枪3固定安装于炉壁顶部，辐射拦截罩6位于熔炼坩埚上方，且通过滑动悬挂杆2活动安装于炉壁的顶部，辐射拦截罩6与滑动悬挂杆2之间通过悬挂铰接扣活动连接。

[0022] 辐射拦截罩为球面形状，其凹面朝下，凹面聚焦点位于熔炼坩埚中心，辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方30cm，其正投影为圆形，半径为15cm，辐射拦截罩材质为铜。

[0023] 辐射拦截罩上电子束直接辐射位置还开有一个圆弧形缺口15，圆弧形缺口的半径为5cm。

[0024] 圆弧形缺口主要是用来避开电子束的直接辐射，使得电子束的辐射直接作用于熔炼坩埚的熔体之中。

[0025] 滑动悬挂杆为3根，每根滑动悬挂杆安装有独立的驱动装置，熔炼过程中通过调节滑动悬挂杆的升降，来调节辐射拦截罩的倾斜角度，使得辐射拦截罩反射回来的电子束和能量作用于熔炼坩埚的中心位置。

[0026] 使用上述熔炼装置和传统熔炼装置进行电子束熔炼提纯多晶硅的对比实验：

[0027] （a）传统熔炼装置对0.5kg硅材料进行熔炼，固定电子束功率12kw，保证电子束坩埚中硅材料不能完全被熔融，当形成稳定熔池后，即刻关束。将硅锭取出在中心进行切割，腐蚀，进行断面形貌分析，标出熔池的形态，计算断面处的熔池面积，并记为A0；

[0028] b). 按照同样的熔炼参数，采用加有辐射拦截罩的装置进行熔炼，计算出断面处的熔池面积，记为A1；

[0029] c). 通过对比硅锭断面熔池面积A1和A0，发现A1 > A0，由此证明，加有辐射拦截的水冷铜坩埚能大幅提高电子束的能量利用率，电子束能量利用率提高20%。

[0030] 实施例2

[0031] 如图1和图2所示，一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，装置中除了以下部件不同外，其他均与实施例1中装置相同：

[0032] 辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方10cm，其正投影为圆形，半径为40cm，辐射拦截罩材质为石墨。

[0033] 辐射拦截罩上电子束直接辐射位置还开有一个圆弧形缺口15，圆弧形缺口的半径为10cm，滑动悬挂杆为5根。

[0034] 在进行如实施例1中的对比实验后得到，电子束能量利用率提高50%。

[0035] 实施例3

[0036] 如图1和图2所示，一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，装置中除了以下部件不同外，其他均与实施例1中装置相同：

[0037] 辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方18cm，其正投影为圆形，半径为30cm，辐射拦截罩材质为石英。

[0038] 辐射拦截罩上电子束直接辐射位置还开有一个圆弧形缺口15，圆弧形缺口的半径为8cm，滑动悬挂杆为4根。

[0039] 在进行如实施例1中的对比实验后得到，电子束能量利用率提高42%。

[0040] 实施例4

[0041] 如图1和图2所示，一种电子束熔炼用坩埚的辐射拦截装置，装置中除了以下部件不同外，其他均与实施例1中装置相同：

[0042] 辐射拦截罩位于熔炼坩埚上方22cm，其正投影为圆形，半径为25cm，辐射拦截罩材质为石墨。

[0043] 辐射拦截罩上电子束直接辐射位置还开有一个圆弧形缺口15，圆弧形缺口的半径为6cm，滑动悬挂杆为4根。

[0044] 在进行如实施例1中的对比实验后得到，电子束能量利用率提高32%。