热交换法掺钛蓝宝石晶体生长过程中的热质耦合输运机理研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51906086
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0603.传热传质学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Large aperture titanium-doped sapphire (Ti:sapphire) crystal is the prime laser gain medium for the ultra-fast ultra-high-power petawatt scale laser system. At present, heat exchanger method (HEM) is the most promising technique for growing Ti:sapphire with diameter being over 200 mm; but it also faces the problem of nonuniform distribution of titanium dopants in the crystal, which is very detrimental to the optical homogeneity of the crystal and the laser performance. Therefore, in this project we aim to study the mechanism of heat and mass transfer during the HEM Ti:sapphire crystal growth process, and to clarify its influence on the distribution of titanium dopants by means of numerical simulations and experimental investigations. Taking into account the internal radiation heat transfer in the crystal and melt, as well as the segregation and evaporation of the titanium dopants, a comprehensive numerical model is to be established for the coupled heat and mass transfer during the growth process. With the proposed model, the influence mechanism of the internal radiation heat transfer on the heat and mass transfer in the growth process is firstly clarified. Then, the effects of key parameters, such as the crystal growth rate, furnace pressure and power ratio between the top and side heaters, on the thermal and flow fields, solidification interface shape, segregation and evaporation characteristics of titanium dopants are studied. Finally, the distribution of titanium dopants in the melt and crystal are revealed. According to the simulated and experimental results, some preliminary technical solutions will be proposed to improve the uniformity of titanium dopants distribution in the crystal. This project involves heat and mass transfer and material science, which not only improves the theoretical basis research of crystal growth, but also promotes the application and development of engineering thermophysics.
大口径掺钛蓝宝石晶体(Ti:Al2O3,简称钛宝石)是拍瓦级超强超短激光器装置的核心材料。热交换法是目前制备直径大于200mm钛宝石晶体的最佳方法,但面临着晶体内组分分布不均匀的难题,严重影响晶体光学均匀性和激光性能。因此,本项目采用数值模拟与实验研究相结合的方法,探索热交换法钛宝石晶体生长过程中的热质耦合输运机理及其对晶体内钛组分分布的影响机制。建立能够完善考虑晶体、熔体内辐射传热及组分分凝、蒸发特性的热质耦合输运数值模型。基于建立的数值模型,研究内辐射传热对晶体生长过程中热质输运的影响机理。然后,结合晶体生长实验,研究生长速率、炉腔压力、加热器功率配比等工艺参数对熔体热流场、结晶界面形状及组分分凝、蒸发的影响机制,揭示晶体内组分分布规律,提出有效改善组分分布均匀性的初步技术方案。本项目涉及传热传质学、材料科学等学科,既促进了晶体生长的理论基础研究,又推动了工程热物理学科的应用和发展。

结项摘要

大尺寸掺钛蓝宝石晶体是超强超短激光器的核心增益介质。热交换法是制备大尺寸钛宝石晶体的主要方法之一,但其晶体内钛组分分布不均匀,严重影响了激光性能。因此,本项目采用有限体积法辐射模型和基于固定网格下的焓方法,建立了完善考虑热交换法掺钛蓝宝石晶体生长过程中内辐射传热(吸收、发射、散射)的全局传热数值模型,系统研究了内辐射传热对熔体流动、温度分布、固液界面形状及晶体热应力的影响规律。数值模拟结果表明,当考虑内辐射传热时,熔体和晶体区域的热量输运显著增强,熔体对流强度增大,晶体底部狭窄区域内等温线密集分布,温度梯度和热应力显着增加。内辐射导致固液界面严重凸向熔体,造成大尺寸钛宝石晶体中钛浓度沿径向分布极不均匀。此外,还研究了晶体、熔体吸收系数和散射系数对晶体生长过程的影响。结果表明,随着晶体吸收系数的增加,晶体底面辐射热流量逐渐降低,但在内辐射传热和导热传热的耦合作用下,导热热流量、底部温度梯度和热应力呈现先升高后降低的变化规律。固液界面弯曲度和熔体流动强度均随着晶体吸收系数的增加而逐渐下降。随着熔体吸收系数的增加,固液界面弯曲度逐渐增大,但晶体温度及热应力分布变化不大。随着晶体散射系数的增加,固液界面弯曲度、熔体流动强度及晶体底部温度梯度及热应力均逐渐降低。但是只有当散射系数大于吸收系数的时候,上述影响才变得显著。另外,在实验研究方面,初步生长了直径100mm的高浓度高吸收系数钛宝石晶体,检测结果表明晶体质量良好。在本项目的资助下,发表学术论文4篇,培养硕士研究生2名。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Effect of Argon Flow on Oxygen and Carbon Coupled Transport in an Industrial Directional Solidification Furnace for Crystalline Silicon Ingots
工业定向凝固炉内氩气流量对晶硅锭氧碳耦合传输的影响
  • DOI:
    10.3390/cryst11040421
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
    Crystals
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Xiaofang Qi;Yiwen Xue;Wenjia Su;Wencheng Ma;Lijun Liu
  • 通讯作者:
    Lijun Liu
Optimization of the melt/crystal interface shape and oxygen concentration during the Czochralski silicon crystal growth process using an artificial neural network and a genetic algorithm
使用人工神经网络和遗传算法优化直拉硅晶体生长过程中的熔体/晶体界面形状和氧浓度
  • DOI:
    10.1016/j.jcrysgro.2020.125828
  • 发表时间:
    2020-10-15
  • 期刊:
    JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH
  • 影响因子:
    1.8
  • 作者:
    Qi, Xiaofang;Ma, Wencheng;Liu, Lijun
  • 通讯作者:
    Liu, Lijun
Effects of crystal rotation on the carbon transport in the top-seeded solution growth of SiC single crystal
晶体旋转对碳化硅单晶顶晶溶液生长中碳传输的影响
  • DOI:
    10.1016/j.jcrysgro.2023.127112
  • 发表时间:
    2023-01
  • 期刊:
    Journal of Crystal Growth
  • 影响因子:
    1.8
  • 作者:
    Fuchang Li;Lei He;Zhaoyang Yan;Xiaofang Qi;Wencheng Ma;Jianli Chen;Yongkuan Xu;Zhanggui Hu
  • 通讯作者:
    Zhanggui Hu

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其他文献

管材对Cl2-ClO2 联合消毒亚氯酸盐生成情况的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    Journal of Harbin Institute of Technology
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钟丹;马文成;袁一星;祝泽兵;王慧;余太平
  • 通讯作者:
    余太平
基于羊群效应的文化认同与农业经营优化研究
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    商业研究
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马文成
  • 通讯作者:
    马文成
供水管网内生物膜与余氯衰减交互作用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    李阳青
地表水净化工艺原水与滤后水消毒副产物的试验研究
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    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
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  • 作者:
    钟丹;袁一星;马文成;袁媛
  • 通讯作者:
    袁媛
Treatment of typical organic pollutants by acclimated activated sludge under anoxic conditions
缺氧条件下驯化活性污泥处理典型有机污染物
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  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    哈尔滨工业大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王德欣;赵茜;李琨;马文成
  • 通讯作者:
    马文成

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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