Лучистый нагрев

Нагрев обрабатываемого тела потоком лучистой энер­гии от высокоинтенсивного источника излучения с определенными спектральными характеристиками называют лучистым, нагревом. Поток лучистой энергии в зависимости от температуры и физиче­ских свойств излучателя представляет собой электромагнитные волны ультрафиолетового, оптического и инфракрасного спект­ров.

Принципиальная схема термической установки с лучистым на­гревом показана на рис. ниже.

Принципиальная схема термической установки с лучис­тым нагревом:

1 — кварцевый реактор; 2 — источник излучения; 3 — рефлектор; 4 — кожух печи; 5 — фланцы реактора; 6 — пат­рубки для создания технологической среды

Основными конструктивными элемен­тами установок с использованием лучистого нагрева являются: нагреватель-излучатель 2, рефлектор 3, отражающий и фокусиру­ющий излучение, кварцевый реактор 1 для размещения обраба­тываемых изделий; вспомогательные устройства для крепления или перемещения изделия, охлаждения рефлектора, излучателя, реактора и т. д.

В зависимости от того, в каком диапазоне длин волн излуча­ется максимум энергии, источники излучения бывают для ультра­фиолетового, оптического и инфракрасного нагрева. Требования к источникам излучения:

малые размеры;

широкий диапазон излучения энергии;

отсутствие загрязнения обрабатываемого изделия;

малая инерционность и возможность гибкого автоматического управления процессом;

удобство обслуживания;

возможность ведения процесса в различных средах.

Применяемые для нагрева источники излучения могут быть подразделены на резистивные и газоразрядные.

Технические характеристики различных источников излучения

В устройствах, использующих инфракрасный (ИК) нагрев, широко применяют резистивные излучатели. Наиболее полно отвечает предъявляемым к источникам излучения требованиям галогенная лампа ИК-нагрева. При эксплуатации галогенной лам­пы следует учесть, что температура цоколей лампы не должна превышать 350 °С из-за возможности разрушения вследствие раз­личия коэффициентов термического расширения кварца и метал­ла, используемого для нити накала. Спектральный состав излу­чаемой энергии практически ограничивается диапазоном длин волн 0,8—3,5 мкм, что определяется относительно низкой долей излучения кварца.

Существует целый ряд ламп дугового, тлеющего, ВЧ и им­пульсного разряда с различными рабочими средами (воздух, па­ры ртути, водород, дейтерий, ксенон и др.), в которых происходит разряд. В микроэлектронике применяют дуговые, ксеноновые и ртутные лампы сверхвысокого давления (СВД).

Существенным недостатком газоразрядных излучателей явля­ется сложность источника питания, так как хотя дуговой разряд обычно протекает при низком напряжении и значительном токе, но для его зажигания необходимо высокое напряжение. После возникновения дугового разряда ток устанавливается, газ иони­зируется и напряжение падает.

Дуговой разряд нестабилен по своей геометрии и мощности, что затрудняет использование газоразрядных ламп для прецизи­онного нагрева. Газоразрядные лампы создают повышенную опасность в эксплуатации из-за интенсивной ультрафиолетовой и видимой радиации, взрывоопасности и значительного образова­ния озона. Для снижения температуры кварцевой колбы некоторых газоразрядных ламп применяют автономную систему охлаж­дения дистиллированной водой.

Из рассмотрения технических характеристик различных ис­точников излучения можно заключить, что для ультрафиолетово­го нагрева (λ<0,4 мкм) можно использовать ртутные и водород­ные лампы; для оптического нагрева (λ,= 0,3 - 0,8 мкм) — дуго­вые источники, ксеноновые лампы; для инфракрасного нагрева в ближней области спектра (λ= 0,7 - 3,5 мкм) — галогенные лам­пы, а в средней области спектра,(λ>3,5 мкм) - проволочные нагреватели из нихрома и других сплавов.