磷酸二氢钾晶体长籽晶生长中流动与传质特性数值模拟

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磷酸二氢钾(Potassium Dihydrogen Phosphate,KDP)晶体是目前唯一能够应用于惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)激光装置的晶体材料。随ICF的发展,探寻快速生长高质量、大口径KDP晶体的技术已经成为了国内外学者关注的焦点。点籽晶快速生长法自问世以来,因其较快的生长速度得到了各国学者的青睐。该方法中,因晶体柱面和锥面在溶液中同时生长,晶体内部会出现柱锥交界面。为避免柱锥交界面对晶体质量的不利影响,学者们提出了长籽晶快速生长法。该方法既避免了柱锥交界面的生成,又保留了快速生长法的速度优势,是KDP晶体生长的全新方法。但目前采用的长籽晶快速生长方式依旧是靠晶体旋转来增强对流,这并非是最佳的水动力学条件。本文提出了三种新的长籽晶生长方式,并对之进行数值模拟研究。主要结论如下:(1)对KDP长籽晶锥区限制性生长晶体旋转法和晶体二维平动法进行了数值模拟。结果表明:与转晶法相比,二维平动法提高了晶面时均过饱和度及其均匀性。增加晶体平动速度,晶面剪切力提高,溶质边界层厚度减小,晶面时均过饱和度提高;平动速度为0.10 m/s时晶面均匀性最好。平动距离对晶面时均过饱和度影响较小,增加平动距离,晶面过饱和度均匀性提高;平动距离为0.08 m时晶体表面时均过饱和度最大。晶体尺寸增加,晶面过饱和度及其均匀性均保持较佳状态,晶面过饱和度梯度最大值减小。(2)为形成有利于晶体生长的“可逆”剪切流,开展了长籽晶一维往复运动法数值模拟。结果显示:相比转晶法,长籽晶一维往复运动法在晶面附近形成了“可逆”平行剪切流,解决了转晶法出现流动滞止区的问题。晶体运动速度增加,晶面剪切力提高,边界层厚度减小,晶面过饱和度和生长速度提高,过饱和度分布均匀性提高,有利于晶面形貌稳定。运动距离增加,流体运动中粘性力逐渐大于惯性力,平行剪切流的范围逐渐增加至整个晶面;运动距离增加到0.25 m后,溶液粘性力占主要作用,晶面附近形成可交替反向的剪切流。随晶体尺寸增大,晶面时均过饱和度变化不大,其均匀性提高,晶体质量能得到保证。(3)对提出的全新KDP长籽晶溶液交替喷流法进行了数值模拟,结果表明:相比转晶法和一维往复运动法,溶液交替喷流法提升了晶面过饱和度和均匀性。喷速和喷管角度均对晶体生长有直接影响。随喷速增加,晶面时均过饱和度和分布均匀性提高;喷管角度在30°~40°可以提高晶体生长质量和晶体生长速度。当喷速≥0.8 m/s时,物质输运取决于强制对流;随喷速增加,物质输运限制影响进一步减弱,有利于晶体的生长。
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