意識沿著通天錄的金色頁邊繼續下沉,牛皮紙上的旋轉角速度逐漸隱去,取而代之的是一間擺著水槽、圓盤和測速儀的舊實驗室。
牆邊的傳動軸穿過支架,帶動浸在液體裡的金屬圓盤轉動,盤面附近的染色液體向外鋪開,遠處的液體則沿軸向補入,形成一條條彎曲流線。
一位穿深色舊西裝的學者站在水槽旁,手掌貼著傳動座,等圓盤轉速穩定後,才轉身看向姜明攤開的單晶生長記錄。
「你把籽晶看成一根轉動的細杆,所以總想從攪拌速度解釋熔體變化,可真正控制界面輸運的,是籽晶底面。」
姜明走到水槽邊,看著染色液體從圓盤中心向邊緣流動,隨即在玻璃板上畫出坩堝、籽晶和固液界面的相對位置。
「籽晶底面半徑有限,邊緣還連著彎月面,它與無限旋轉平面存在差別,這套解還能直接使用嗎?」
「半徑遠大於邊界層厚度時,中心區域可以近似採用旋轉圓盤解,邊緣效應需要留在實驗修正里。」
先驅拿起粉筆,在玻璃板上寫下角速度、運動黏度和邊界層厚度,隨後把圓盤附近的徑向速度、周向速度及軸向補流列成三個分量。
旋轉盤拖動貼近盤面的液體,液體獲得周向速度後受離心作用向外流動,盤面上方的熔體為了補足流量,只能沿軸向壓向固液界面。
「馮·卡門在一九二一年處理過這個問題,他用相似變量把軸對稱的偏微分方程化成常微分方程,速度邊界層的尺度由這個比值決定。」
粉筆落在玻璃板上,寫出δ與ν除以ω的平方根成正比,姜明盯著公式,將每分鐘十二轉換算成角速度,又把鍺熔體的運動黏度代入。
「轉速提高,速度邊界層收窄,軸向補流增強,界面附近的濃度層也會隨之變薄。」
「方向對了,但速度邊界層與濃度邊界層還隔著施密特數,你需要的是雜質擴散,不只是動量傳遞。」
先驅擦去一段中間式,把擴散係數D引入相似變量,最終寫出濃度邊界層厚度與D的三分之一次方、ν除以ω的平方根相聯。
姜明把這條關係接到昨夜留下的分凝模型上,公式中的空白終於有了可以通過設備參數控制的量。
「平衡分凝係數k₀由雜質與鍺的性質決定,提拉速度V和擴散係數D也能從工藝及文獻中取得,只要δ能夠算出,有效分凝係數就能落到操作參數上。」
先驅把姜明寫出的式子重新排了一遍,分母中保留k₀,並將一減k₀與負Vδ除以D的指數項相乘。
keff等於k₀除以k₀加上一減k₀乘以exp負Vδ除以D。
當濃度邊界層較厚,雜質容易在界面前方積聚,固相實際接納雜質的比例會偏離平衡狀態,單晶沿長度方向的電阻率落差也會擴大。
轉速上升以後,δ隨角速度平方根的倒數縮小,界面附近積聚的雜質被徑向流帶走,keff便逐步向k₀靠近。
姜明把第一根合格單晶的參數寫在公式旁,提拉速度為每分鐘零點八毫米,旋轉速度為每分鐘十二轉,實測頭尾電阻率相差約三成。
「如果把轉速提高一倍,邊界層縮小的幅度有限,頭尾差異能壓到什麼程度,還要看磷、砷、銻各自的擴散係數。」
「分別算,別把幾種雜質揉成一個平均數,電阻率測量給你的只是總結果,具體雜質組成仍需後續分析。」
姜明點頭,把三類常見雜質分成三行,又在每行後列出平衡分凝係數、擴散係數和預計貢獻範圍。
先驅卻抬手轉動水槽旁的調速輪,圓盤速度逐漸升高,原本平順展開的染色流線開始擺動,盤緣附近捲起細碎旋渦。
「你還要給轉速設一道上限,層流解只在一定雷諾數範圍內成立,越過臨界區,界面溫度和濃度都會隨渦流變化。」
姜明立即寫出旋轉雷諾數,Re等於ω乘以R的平方再除以ν,其中R取當前籽晶與固液界面的有效半徑。
「臨界值能直接給出嗎?」
「實驗裝置、自由液面和坩堝側壁都會改變臨界範圍,你只能依據當前尺寸和鍺熔體黏度估算,再由拉晶試驗確認。」
先驅把經驗範圍寫在公式旁,隨後用手指點了點姜明記錄中的第一爐失效段,那段乳白晶粒正對應一次機械卡滯引發的界面變化。
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「轉得太慢,濃度邊界層厚,分凝偏差大,轉得太快,流動失穩會破壞固液界面,你要找的是兩條限制之間的工藝窗口。」
實驗室的水槽和圓盤開始褪色,姜明抓緊最後的時間,把有限半徑修正、施密特數關係和臨界雷諾數逐項抄入牛皮紙筆記本。
意識退回保密隔間時,煤油燈里的燈芯已經燒短,桌上的鉛筆仍壓在δ旁,方旭東留在擴散係數D旁的待查位置還空著。
姜明重新削過鉛筆,將keff公式完整寫進空白處,再從林蘭英帶來的文獻摘錄中找出磷、砷、銻的平衡分凝係數。
擴散係數暫時採用蘇聯期刊摘要中的溫度換算值,每一組數字旁都標明溫度條件,避免將不同熔體溫度下的數據直接混用。
他先代入十二轉每分鐘的工藝參數,計算出的磷有效分凝係數接近零點零八,與第二根單晶的頭尾變化方向能夠接上。
轉速提高到二十五轉後,濃度邊界層明顯收窄,keff越過零點一一,預計頭尾電阻率差異可壓到百分之十七左右。
當轉速進入每分鐘二十八至三十轉,磷的keff接近零點一二,按現有晶體長度和裝料重量推算,頭尾差異會落入百分之十五以內。
姜明繼續把角速度向上推,旋轉雷諾數很快貼近經驗臨界區,當前籽晶半徑、坩堝尺寸和鍺熔體黏度共同卡住上限。
每分鐘三十五轉已經靠近邊界,再往上便會把層流模型推入失效區,任何由湍動引起的溫度波動,都可能重新誘發多晶晶核。
他在坐標紙上分別設置旋轉速度、提拉速度和有效分凝係數三條軸,將十二轉至三十五轉、零點六至一毫米拉速的計算結果逐點標出。
曲面在二十五轉以後逐漸變緩,繼續提高轉速帶來的收益開始下降,距離臨界雷諾數卻越來越近。
姜明最終把每分鐘二十八轉圈出,提拉速度仍維持每分鐘零點八毫米,這組參數既能壓薄濃度邊界層,又給機械波動與黏度誤差留出餘量。
第一頁寫理論推導,從旋轉盤速度邊界層接到濃度邊界層,再落到BPS有效分凝係數關係。
第二頁只留操作參數、預期結果和停止條件,若彎月面出現多邊形稜角,或溫度波動與轉速形成固定周期,立即降低轉速並停止提拉。
至於推導來源,他在頁腳註明錢學森力學講義中的旋轉流體章節,並補上區域提純及第二根單晶數據的反推過程。
門外響起鑰匙碰到鐵環的聲音,方旭東推門進來,懷裡夾著前一天留在隔間的記錄本。
他走到黑板前,順著旋轉盤流線看到keff曲線,又在擴散係數D旁停下,拿起粉筆補了一個問號。
「這個值文獻里有沒有?」
「磷在鍺熔體中的擴散係數,蘇聯有一組實測值,我讓大劉去資料室查期刊。」
方旭東點點頭,把問號改成待查標記,又將黑板上的溫度條件抄進記錄本,以便大劉核對期刊時排除條件不符的數據。
「二十八轉,比第二爐高了一倍多,傳動機構得重新做空轉記錄。」
「先測十五分鐘,齒輪周期、軸向竄動和電機溫升都記下來,三十五轉是計算上限,設備旋鈕也要加限位。」
方旭東翻到空白頁,把二十八和三十五分別圈住,隨後抽走桌角裝訂好的三號爐記錄。
走廊另一端傳來大劉推資料車的動靜,車輪碾過水泥接縫,幾本蘇聯期刊被壓在帆布帶下。
方旭東側身讓開門口,回頭看了一眼那兩頁推導。
「王守武明天到,他若追問這條公式,你得從頭寫給他看。」
姜明將兩頁紙裝進帆布包,拿起錢學森那本黑色講義,跟著資料車走向外間。