[科普中國]-弧像爐

弧像爐是將電弧聚焦成像而加熱物料的一種電爐?；∠駹t熱源為電弧，將電弧的輻射能通過適當(dāng)光學(xué)聚集到被加熱材料上，形成一個輻射圓錐，使加熱源在圓錐的尖端成像，該成像處的溫度最高。

簡介弧像爐這樣的無玷污加熱設(shè)備可以用于研究化學(xué)性質(zhì)比較活潑材料的高溫性能，一些生長過程中必須防止高溫下玷污和化學(xué)計量比的改變的難熔物質(zhì)單晶，當(dāng)加熱一種材料，需要與不同組成的材料（例如像爐膛或坩堝等材料）相接觸的情況。

加熱原理弧像爐的熱源為電弧，將電弧的輻射能通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)聚集到被加熱的材料上，這就形成一個輻射圓錐，從而使加熱源在圓錐的尖端成像，該成像處的溫度最高。這樣在任何時間，只需要使被加熱的材料上一小部分處于熔融狀態(tài)，于是被加熱的材料本身就形成了一個坩堝，因此也就不需要再用專門的坩堝了。

弧像爐的構(gòu)造弧像爐的光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，其中圖1a為聚光透鏡系統(tǒng)，其優(yōu)點是通過互換光源和像的位置，可以提供低輻射的大像或高輻射的小像，而且在像中沒有陰影。在單一橢球鏡系統(tǒng)的圖1b中，在橢球的一個焦點上有一光源，這樣就會在另一焦點上形成像。要獲得低輻射大面積或高輻射小面積的話，只需要看光源放在哪一個焦點上即可。在雙橢球鏡系統(tǒng)的圖1c中，假如這兩個鏡子都具有同樣的偏心率，而且是幾何完整的，則最終的成像將與光源具有同樣的大小。當(dāng)然，其成像的具體大小還可以用兩個不同偏心率的鏡子來改變。在雙拋面鏡系統(tǒng)的圖1d中，成像的大小與光源的大小基本上相同。

如圖2所示為一個用于單晶生長的弧像爐光學(xué)系統(tǒng)原理圖。它包括一對橢球反射鏡裝置。在靠近第二焦點處放置了一個水冷控制的反射鏡，從而使得光軸的轉(zhuǎn)向與成像成垂直的位置。該控制鏡的背面是鍍銀的，并且在背面用水進行冷卻。

圖3為一個弧像爐的原理圖， 它采用的是雙拋物面鏡系統(tǒng)。 它可以用兩個探照燈，其價格比較便宜。其安裝方法是將兩臺探照燈沿著公共的水平軸或垂直軸排列成一行，當(dāng)試樣為熔態(tài)試樣或粉末時，應(yīng)將試樣本身保持水平方向。因此，必須將兩臺探照燈安裝在公共的垂直軸上。

弧像爐的應(yīng)用很多熔點相當(dāng)高的材料，例如像Cr2O3 （熔點為1990℃）、Al2O3 （熔點為2050℃）、ZrO2（熔點為2680℃）和MgO（熔點為2800℃）等，將其粉末壓成試塊，都能在弧像爐中熔化。采用弧像爐，可以生長出像硅單晶、金紅石單晶、藍寶石晶體和其他類型的化合物晶體（例如像高溫半導(dǎo)體材料、碳化物和氮化物）。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

任毅如 - 副教授 - 湖南大學(xué)