如何改进蓝宝石长晶炉加热体沉积变粗的问题

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长晶炉加热体经使用5～6炉后长晶后，钨、钼、不锈钢金属及蓝宝石中的微量金属杂质等在2500℃高温环境下升华在加热体的钨杆上逐步沉积，致使加热体钨杆直径逐渐变粗。目前使用的Φ7.3直径加热体钨杆除上部112mm内没有明显沉积外，其余部分基本全部变粗，且越向下沉积越严重，最底部沉积后的钨杆直径已达10mm以上。

加热体钨杆直径增粗后会对蓝宝石长晶产生一定的不良影响。根据欧姆电阻定律(R=ρ*L/S),电阻与材料的截面积成反比，故加热体钨杆直径变粗后电阻减小。根据电能热量定律(Q=0.24P*t=0.24U*I*t=0.24I%²*R*t=0.24*U²/R*t)当电阻减小时在电流不变时发热功率与电阻成正比，在电压不变时发热功率与电阻成反比。

设原加热体(未使用的加热体)电阻为R1，电压为U1，电流为I1，发热量为Q1；使用5～6炉后的加热体电阻为R2，电压为U2，电流为I2，发热量为Q2。

为保持长晶炉加热体发热功率及热场不变，故加热体钨杆增粗(电阻减小)后的Q2应等于Q1，根据Q=0.24P*t=0.24U*I*t=0.24I²*R*t=0.24*U²/R *t，得：

若 Q2=Q1

则 0.24I2²R2*t=0.24I11²R1t

I2²R2=I1²R1

I2= (R1/R2)*I1

经调查得知：原加热体阻值约为1.2Ω，增粗后阻值约为0.9Ω。

即 I2= (1.2/0.9)*I1=1.15I1

或 0.24*U2²/R2*t=0.24*U1²/R1*t

则 U2²/R2 = U1²/R1

U2= (R2/R1)*U1= (0.9/1.2)*U1=0.866U1

分析结论：根据欧姆定律和电能热量定律，由于加热体沉积金属离子后直径增粗，电阻减小肯定对长晶热场产生了一定的不良影响，为保持和原设计热量和热场基本不变，应参照以上分析降低操作电压即升高操作电流。

改进措施：

一、增加长晶炉变压器功率档位，适当增大长晶炉变压器的操作功率(电压、电流)调节范围，调整欧陆表程序及电源柜设计，以满足加热体钨杆直径变化的操作需要。

二、各长晶炉可使用不同功率调节范围的变压器，以对应不同使用炉次(即加热体钨杆直径变化)的需要，使用前务必测量加热体的阻值，以对应不同长晶炉变压器的功率范围。

三、及时更换部分加热体变粗的钨杆，可逐次间隔更新加热体钨杆。更换及修复加热体时，务必注意弯曲新钨杆加工尺寸和焊接质量。保证加热体钨杆均匀，使加热体阻值满足蓝宝石长晶需要。

这可能是蓝宝石长晶热场一个重要的问题，可能会对生产蓝宝石晶体带来好处，并会提高加热体使用炉次，降低蓝宝石长晶生产成本。以上思考及改进如有不当之处请谅解。

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