ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-5-797-806ntv-509Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGПрименение машинного зрения для автоматического контроля процесса выращивания монокристаллов галогенидов таллия по методу Бриджмена–СтокбаргераApplication of machine vision for automatic control of the process of growing monocrystals of thallium halides using the Bridgman-Stockbarger methodhttps://orcid.org/0000-0001-6265-9052КузьминМ. И.KuzminM. I.

Кузьмин Максим Игоревич — руководитель направления по разработке программного обеспечения

Москва, 111524

sc 59374615000

Maksim I. Kuzmin — Head of the Software Development Department

Moscow, 111524

mimikatz@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-8149-5302ЕльниковМ. С.ElnikovM. S.

Ельников Максим Сергеевич — стажер-исследователь; студент

Москва, 111524

Москва, 105005

Maksim S. Elnikov — Research Intern; Student

Moscow, 111524

Moscow, 105005

elnikow.max@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0006-4419-6983КушнирукД. И.KushnirukD. I.

Кушнирук Давид Ильич — начальник группы

Москва, 111524

David I. Kushniruk — Head of Group

Moscow, 111524

k.davjd@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0007-1782-9623МорозовМ. В.MorozovM. V.

Морозов Максим Витальевич — ведущий инженер-технолог

Москва, 111524

Maksim V. Morozov — Leading Process Engineer

Moscow, 111524

MViMorozov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8441-4424КузнецовМ. С.KuznetsovM. S.

Кузнецов Михаил Сергеевич — начальник лаборатории

Москва, 111524

sc 55421893200

Mikhail S. Kuznetsov — Head of Laboratory

sc 55421893200

Moscow, 111524

gradan@mail.ruГосударственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет» имени Н.П. СажинаРоссияJSC N.P. Sazhin State Scientific Research and Design Institute of Rare Metal Industry “Giredmet”Russian FederationГосударственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет» имени Н.П. Сажина; Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаРоссияJSC N.P. Sazhin State Scientific Research and Design Institute of Rare Metal Industry “Giredmet”; Bauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202527102025255797806Copyright © Кузьмин М.И., Ельников М.С., Кушнирук Д.И., Морозов М.В., Кузнецов М.С., 20252025Кузьмин М.И., Ельников М.С., Кушнирук Д.И., Морозов М.В., Кузнецов М.С.Kuzmin M.I., Elnikov M.S., Kushniruk D.I., Morozov M.V., Kuznetsov M.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/509Введение

Введение. Рассмотрена проблема управления процессом выращивания монокристаллов галогенидов таллия методом Бриджмена–Стокбаргера. Определена важность обеспечения робастного управления температурным градиентом в зоне кристаллизации, оказывающего прямое влияние на качество получаемого монокристалла. Предложено и научно обосновано применение методов машинного зрения для определения положения границы расплав–кристалл и последующего автоматического управления температурным режимом выращивания.

Метод

Метод. Для автоматизированного управления температурным градиентом предлагается использовать алгоритм, основанный на визуальном отслеживании положения кристаллизующейся границы (фронта). Распознавание фронта осуществляется посредством применения инструментов машинного зрения, позволяющих производить расчет корректирующего управляющего воздействия на верхнюю зону нагрева установки.

Основные результаты

Основные результаты. Представлено описание ключевых шагов алгоритма, приведена его блок-схема. На примере одной итерации производственного цикла проанализирована во времени динамика изменения высоты границы расплав–кристалл и температуры верхней печи. Соответствие полученного на опытной установке продукта принятым техническим условиям подтверждает эффективность предлагаемого подхода в стабилизации температурного профиля.

Обсуждение

Обсуждение. Разработанный алгоритм позволяет отказаться от ручного регулирования параметров на каждой установке и обеспечивает возможности для горизонтального масштабирования производства. Подход демонстрирует преимущества по сравнению с традиционными методами управления в контексте повышения повторяемости и качества выращиваемых монокристаллов. Предложенный алгоритм может быть использован при проектировании и модернизации установок, работающих по методу Бриджмена–Стокбаргера. Основным ограничением предлагаемого подхода является его применимость только к процессам, в которых осуществляется выращивание монокристаллов, обладающих характерной окраской.

The article discusses the issue of controlling the growth process of monocrystals of thallium halides using the Bridgman-Stockbarger technique. The significance of maintaining a stable temperature gradient in the crystallization zone, which has a direct effect on the quality of the final monocrystal, is determined. The use of machine vision techniques to determine the position of the melt-crystal interface and subsequently automatic control of the temperature regime is proposed and scientifically justified. To control the temperature gradient automatically, it is suggested to utilize an algorithm that relies on visual tracking of the crystallization front. This front is identified using machine vision techniques, that allow calculating the corrective action on the upper heating zone of the apparatus. A brief overview of the main steps of the algorithm is provided, and a flowchart illustrating the process is included. Using the example of one iteration of the production cycle, the over time dynamics of changes in the height of the melt-crystal interface and the temperature of the upper furnace are analyzed. The compliance of the product obtained at the pilot apparatus with the accepted technical conditions confirms the effectiveness of the proposed approach in stabilizing the temperature profile. The developed algorithm eliminates manual parameter control at each apparatus, providing opportunities for horizontal scaling of production. It demonstrates advantages over traditional control methods, increasing the repeatability and quality of grown monocrystals. It can be used in the design and modernization of Bridgman-Stockbarger apparatuses. The main limitation of proposed approach is that it can only be applied to processes involving the growth of monocrystals with specific coloration.

машинное зрениеавтоматическое управлениегалогениды таллияметод Бриджмена–Стокбаргераmachine visionautomatic controlthallium halidesBridgman-Stockbarger methodReferencesLang W. Silicon microstructuring technology // Materials Science and Engineering: R: Reports. 1996. V. 17. N 1. P. 1–55. https://doi.org/10.1016/0927-796X(96)00190-8Lang W. Silicon microstructuring technology // Materials Science and Engineering: R: Reports. 1996. V. 17. N 1. P. 1–55. https://doi.org/10.1016/0927-796X(96)00190-8Kaplunov I.A., Kolesnikov A.I., Gavalyan M.Y., Belotserkovskiy A.V. Optical properties of large germanium monocrystals // Optics and Spectroscopy. 2016. V. 120. N 4. P. 654–659. https://doi.org/10.1134/S0030400X16030139Kaplunov I.A., Kolesnikov A.I., Gavalyan M.Y., Belotserkovskiy A.V. Optical properties of large germanium monocrystals // Optics and Spectroscopy. 2016. V. 120. N 4. P. 654–659. https://doi.org/10.1134/S0030400X16030139Isaenko L., Yelisseyev A., Tkachuk A., Ivanova S. New monocrystals with low phonon energy for mid-IR lasers // NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics. 2008. P. 3–65. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6463-0_1Isaenko L., Yelisseyev A., Tkachuk A., Ivanova S. New monocrystals with low phonon energy for mid-IR lasers // NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics. 2008. P. 3–65. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6463-0_1Taubin M.L., Yaskolko A.A. Improvement of medical X-ray tube performance // Biomedical Engineering. 2010. V. 44. N 2. P. 73–75. https://doi.org/10.1007/s10527-010-9159-8Taubin M.L., Yaskolko A.A. Improvement of medical X-ray tube performance // Biomedical Engineering. 2010. V. 44. N 2. P. 73–75. https://doi.org/10.1007/s10527-010-9159-8Ababiy I., Aramă E. Advantages of applications UV detectors based on stratified crystals in medicine // Proc. of the Professional Education and Economic Needs of the Black Sea Region. 2015. P. 127–133.Ababiy I., Aramă E. Advantages of applications UV detectors based on stratified crystals in medicine // Proc. of the Professional Education and Economic Needs of the Black Sea Region. 2015. P. 127–133.Ganesh V., Shkir M., Maurya K.K., Yahia I.S., AlFaify S. Phenol red dyed bis thiourea cadmium acetate monocrystal growth and characterization for optoelectronic applications // Journal of Materials Research. 2018. V. 33. N 16. P. 2364–2375. https://doi.org/10.1557/jmr.2018.235Ganesh V., Shkir M., Maurya K.K., Yahia I.S., AlFaify S. Phenol red dyed bis thiourea cadmium acetate monocrystal growth and characterization for optoelectronic applications // Journal of Materials Research. 2018. V. 33. N 16. P. 2364–2375. https://doi.org/10.1557/jmr.2018.235Wischnewski M., Delibas B., Wischnewski A., Pertsch P. Microscale monocrystal ultrasonic actuators for miniature optical systems // Proc. of the International Conference and Exhibition on New Actuator Systems and Applications. 2022. P. 1–4.Wischnewski M., Delibas B., Wischnewski A., Pertsch P. Microscale monocrystal ultrasonic actuators for miniature optical systems // Proc. of the International Conference and Exhibition on New Actuator Systems and Applications. 2022. P. 1–4.Wang D., Chen J.S. Progress on the applications of piezoelectric materials in sensors // Materials Science Forum. 2016. V. 848. P. 749–756. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.848.749Wang D., Chen J.S. Progress on the applications of piezoelectric materials in sensors // Materials Science Forum. 2016. V. 848. P. 749–756. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.848.749Лапшин В.В., Захаревич Е.М., Кузнецов М.С., Зараменских К.С., Осипов А.В. Технология обработки оптических деталей из кристаллов КРС-5 методом алмазного точения и фрезерования // Фотоника. 2021. Т. 15. № 1. С. 18–28. https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.18.28Lapshin V.V., Zakharevich E.M., Kuznetsov M.S., Zaramenskikh K.S., Osipov A.V. Technology of machining optical parts made of KRS-5 crystals by diamond turning and milling. Photonics Russia, 2021, vol. 15, no. 1, pp. 18–28. (in Russian). https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.18.28Жукова Л.В., Китаев Г.А., Козлов Ф.Н. Растворимость TlBr, TlI и их твердых растворов в воде // Журнал физической химии. 1978. Т. 52. № 7. С. 1692–1695.Zhukova L.V., Kitaev G.A., Kozlov F.N. On solubility of TlBr, TlI and their solid solutions. Zhurnal Fizicheskoj Himii, 1978, vol. 52, no. 7, pp. 1692–1695. (in Russian)Китаев Г.А., Жукова Л.В., Козлов Ф.Н. Растворимость галогенидов таллия(I) и их твёрдых изоморфных смесей в полярных растворителях // Журнал физической химии. 1980. Т. 54. № 8. С. 2032–2036.Kitaev G.A., Zhukova L.V., Kozlov F.N. Solubility of thallium(I) halides and their solid isomorphic mixtures in polar solvents. Zhurnal Fizicheskoj Himii, 1980, vol. 54, no. 8, pp. 2032–2036. (in Russian)Жукова Л.В., Китаев Г.А., Козлов Ф.Н. Растворимость галогенидов одновалентного таллия в воде и неводных растворителях. Справочник по продуктам растворимости. Новосибирск: Наука, 1983. 191 c.Zhukova L.V., Kitaev G.A., Kozlov F.N. Solubility of Monovalent Thallium Halides in Water and Non-Aqueous Solvents. Handbook of Solubility Products. Novosibirsk, Nauka Publ., 1983, 191 p. (in Russian)Козлов Ф.Н., Китаев Г.А., Жукова Л.В. Растворимость и кристаллизация галогенидов таллия(I) из водных растворов // Журнал неорганический химии. 1983. Т. 28. № 2. С. 482–486.Kozlov F.N., Kitaev G.A., Zhukova L.V. Solubility and crystallization of thallium(i) halides from aqueous-solutions. Zhurnal Neorganicheskoi Khimii, 1983, vol. 28, no. 2, pp. 482–486. (in Russian)Haynes W.M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press, 2016. 2670 p.Haynes W.M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press, 2016, 2670 p.Bridgman P.W. Crystals and their manufacture. Patent US1793672A. 1931.Bridgman P.W. Crystals and their manufacture. Patent US1793672A. 1931.Ерохин С.В., Зараменских К.С., Кузнецов М.С., Пилюшко С.М. Оптимизация процесса роста монокристалла КРС-5 с помощью расчета градиента температуры методом конечных элементов // Тонкие химические технологии. 2025. Т. 20. № 1. С. 55–62. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-1-55-62Erohin S.V., Zaramenskikh K.S., Kuznetsov M.S., Pilyushko S.M. Optimization of KRS-5 single crystal growth process by calculation of temperature gradient using finite element method. Fine Chemical Technologies, 2025, vol. 20, no. 1, pp. 55-62. (in Russian). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-1-55-62Potts H., Wilcox W.R. Thermal fields in the Bridgman–Stockbarger technique // Journal of Crystal Growth. 1985. V. 73. N 2. P. 350–358. https://doi.org/10.1016/0022-0248(85)90312-4Potts H., Wilcox W.R. Thermal fields in the Bridgman–Stockbarger technique // Journal of Crystal Growth. 1985. V. 73. N 2. P. 350–358. https://doi.org/10.1016/0022-0248(85)90312-4Mouchovski J.T., Penev V.T., Kuneva R.B. Control of the growth optimum in producing high-quality CaF2 crystals by an improved Bridgman–Stockbarger technique // Crystal Research and Technology. 1996. V. 31. N 6. P. 727–737. https://doi.org/10.1002/crat.2170310603Mouchovski J.T., Penev V.T., Kuneva R.B. Control of the growth optimum in producing high-quality CaF2 crystals by an improved Bridgman–Stockbarger technique // Crystal Research and Technology. 1996. V. 31. N 6. P. 727–737. https://doi.org/10.1002/crat.2170310603Nicoară D., Nicoară I. An improved Bridgman–Stockbarger crystalgrowth system // Materials Science and Engineering: A. 1988. V. 102. N 2. P. L1–L4. https://doi.org/10.1016/0025-5416(88)90584-8Nicoară D., Nicoară I. An improved Bridgman–Stockbarger crystalgrowth system // Materials Science and Engineering: A. 1988. V. 102. N 2. P. L1–L4. https://doi.org/10.1016/0025-5416(88)90584-8Chang C.E., Wilcox W.R. Control of interface shape in the vertical Bridgman–Stockbarger technique // Journal of Crystal Growth. 1974. V. 21. N 1. P. 135–140. https://doi.org/10.1016/0022-0248(74)90161-4Chang C.E., Wilcox W.R. Control of interface shape in the vertical Bridgman–Stockbarger technique // Journal of Crystal Growth. 1974. V. 21. N 1. P. 135–140. https://doi.org/10.1016/0022-0248(74)90161-4Rosen G.J., Carlson F.M., Thompson J.E., Wilcox W.R., Wallace J.P. Monitoring vertical Bridgman–Stockbarger growth of cadmium telluride by an eddy current technique // Journal of Electronic Materials. 1995. V. 24. N 5. P. 491–495. https://doi.org/10.1007/bf02657952Rosen G.J., Carlson F.M., Thompson J.E., Wilcox W.R., Wallace J.P. Monitoring vertical Bridgman–Stockbarger growth of cadmium telluride by an eddy current technique // Journal of Electronic Materials. 1995. V. 24. N 5. P. 491–495. https://doi.org/10.1007/bf02657952

The authors declare that there are no conflicts of interest present.