CN101975678A - 真空环境下可加热密封样品室装置 - Google Patents

Abstract

真空环境下可加热密封样品室装置是可自动控制进行打开、闭合样品通道、加热、密封的样品室装置，可用于装载固体样品，其特征是：该装置包括基座、电机、减速箱、可加热样品杯和密封盖板等部分。电机和减速箱固连接在基座上；出轴固连接于密封盖板；热屏蔽套筒和样品杯焊接在基座上，两者之间有间隙；气体导管焊接在样品杯上部的通孔内，形成气体通路；基座顶端内部安装有弹簧，弹簧下端安装滚珠。滚珠压在密封盖板上。

Description

真空环境下可加热密封样品室装置

技术领域

本发明涉及在外部环境为真空状态下可自动控制进行打开闭合样品通道、加热、密封的样品室装置，尤其针对月球、火星等星球上就位采集的土壤、岩石等固体样品使其释放气体进行必要的分析。

背景技术

随着人类对外部太空研究的日益进展，对行星表面的化学物质、矿物质进行分析可以为科学探测和研究提供科学依据。就位采样和分析技术由于对采集的样品无需运回地球就可以就位分析，节约了大量的资金和时间而显得非常重要。伴随着如磁质谱计、四极质谱计等分析仪器小型化研制的进展，在行星表面实现原位采样、原位分析提供了可能性。

星球表面土壤中或岩石中所含有气体量决定于星球表面的气体状态。特别是气体非常稀薄的星球，其土壤中含有的气体量是很少的，必须要通过加热的方式将其释放出来，储存在密封的样品室中以待分析。无论对于哪种分析仪器，样品室是必须要具备的，且样品室要具备开合、加热、密封等功能，以便于分析仪器分析。

当就位分析处在高真空环境中，样品以及样品所释放出来的气体在通向分析仪器之前，样品室必须要密封。其密封的好坏对于分析结果的准确性有着直接的影响。目前一般来说，要保证气体密封，即在一段时间内外部气体进不来，内部气体跑不掉，端面密封结构通常有两种模式，一种是运用金属法兰的刀口形式，即采用软金属如无氧铜作为密封材料，需要的密封力是280Mpa。该力通过螺栓紧固给与施加。但是当样品室本身外部为真空环境，尤其是处在月球等星体上无人操作，样品室端盖要打开和闭合的同时要保证密封，这种通过螺栓紧固定以给予巨大的密封力的机构是不合适的。另一种密封结构通常采用O型橡胶圈，通过密封面施加螺栓紧固使O型橡胶圈产生形变而达到密封。这种密封结构除去螺栓紧固的不适合使用以外，由于就位分析中一般要对样品施加高温促使其释放气体，该高温往往会使O型橡胶圈不能耐受，加热放出的气体也影响分析结果，同时O型橡胶圈耐空间辐射特性也难以做好。因此以上两种密封结构在空间应用中存在不足。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种体积小、重量小，功率低，可实现开盖闭合、加热、密封的真空环境下可加热密封样品室装置，它可以配合自动化设备和机器人的取样器装置，尤其是适合用于在月球、火星等星球表面的固体物质如土壤、岩石等气体成份分析。

技术方案：本发明的真空环境下可加热密封样品室装置包括固定和密封盖转动机构、位于固定和密封盖转动机构中的带热屏蔽套的真空加热杯、位于带热屏蔽套的真空加热杯上的密封盖板机构；

其中，带热屏蔽套的真空加热杯包括外部有螺纹槽的样品杯、烧结在螺纹槽中的热子组件、位于热子组件外的热屏蔽套筒、位于外部有螺纹槽的样品杯上部外侧的气体导管、样品杯端面具有第一光学表面；与密封机构的密封盖板之间形成真空密封。

密封盖板机构包括上部具有弧形凹槽轨道和下部具有第二光学表面的密封盖板、位于固定和密封盖转动机构的孔洞中，安装用于对密封盖板施压的滚珠和弹簧，滚珠的下部放置在密封盖板弧形凹槽轨道中，滚珠与密封盖板紧密接触。

固定和密封转动机构包括放置加热杯、弹簧等的固定基座、位于固定基座中提供旋转密封盖板动力的电机和减速箱，减速箱的输出轴连接密封盖板机构，实现盖板的旋转运动。

在带热屏蔽套的真空加热杯上螺纹槽中设有涂有氧化铝陶瓷粉的金属加热丝所组成的热子组件，用于对样品的加热；热屏蔽套筒与样品杯之间保持真空，以形成真空绝热层；热屏蔽套筒内部涂覆热反射膜，以增加热的反射，减少热损耗。

带热屏蔽套的真空加热杯中，热屏蔽套筒上带有排气小孔。当整个装置在真空环境下工作时，排气小孔可使热屏蔽套筒与样品杯之间保持真空，以形成真空绝热层；当整个装置在非真空环境下工作时，可以用外部真空系统通过小孔对热屏蔽套筒和样品杯之间的空间进行真空排气，使形成真空绝热层后，将小孔真空密封，使热屏蔽套筒与样品杯之间保持真空，以形成真空绝热层。

样品杯外部有螺纹槽，外涂氧化铝陶瓷粉的金属加热丝构成热子组件烧结在螺纹槽中与样品杯形成一个整体，其外部套有热屏蔽套筒加以保护。

密封盖板的下表面与样品杯的端面均为光学表面，密封盖板在减速箱输出轴的带动下，紧贴样品杯的端面水平旋转；

所述的样品杯，在其端面保留有倒角，利于密封盖板的旋转与复位。

基座的上部开有安装滚珠和弹簧的孔洞，弹簧放置在孔洞的内部，滚珠放置在孔洞的出口处并压在密封盖板的弧形凹槽轨道中，对密封盖板始终施加预置在弹簧中的密封压力。

所述的第一光学表面和第二光学表面，表面经过镀膜或涂覆固体润滑膜，避免紧密贴合时出现冷焊现象。

所述加热密封样品室装置工作时，密封盖板在电机作用下旋转向一侧打开，使样品可以放入真空加热杯中，放入样品后，对电机施加与密封盖板打开时相反的电压，使电机反向旋转，密封盖板在电机作用下向反方向旋转，并盖在真空加热杯端面上。密封盖板上部有凹槽轨道，在旋转过程中凹槽轨道中的滚珠起到限位作用，且为了增加样品通道的口径，滚珠位于样品杯断面的偏心处。同时真空加热杯的第一光学表面和密封盖板的第二光学表面在弹簧和滚珠的作用下贴合在一起，形成真空密封。光滑表面经过特殊处理可避免紧密贴合时出现冷焊现象。对加热杯上的热子通电，对样品进行加热，样品释放的气体通过气体导管进入气体分析仪器。

有益效果：

(1)该发明将电机和样品室固定在同一底座上，样品室装置结构紧凑，体积小，重量轻；

(2)该发明避免了刀口法兰或O型橡胶圈的传统密封结构，利用两非常光滑表面紧密接触，同时施加较小的压力，便可实现样品室的开合与密封，结构简单；

(3)该发明只利用一个电机实现了样品室端盖的开合与密封，功耗低；

(4)该发明将加热子与被加热部件焊接在一起，外加热屏蔽套筒，有效降低热辐射而引起的热损失，降低功耗；

(5)该发明利用滚珠与盖板间的滚动摩擦大大减小摩擦阻力，对电机具有保护作用；

本发明作为可加热式密封样品室装置，可以配合分析仪器应用于真空环境中固体样品释放微量气体的成分分析，尤其是应用于月球、火星等星球表面的矿石、土壤等固体样品的释放气体成分分析，特别是若采用多组该结构的样品室，便可形成多次分析模式，提高准确度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中密封盖板机构旋转时密封盖板与样品杯之间相对关系且密封盖板表面凹槽与滚珠关系示意图；

图3是密封盖板与样品杯之间相对关系的剖视结构示意图。

图4加热式样品杯的局部示意图。

图5是热屏蔽套筒的局部示意图。

在以上图中有：带热屏蔽套的真空加热杯1、样品杯1-1、螺纹槽1-1-1、倒角1-1-2、热子组件1-2、氧化铝陶瓷粉1-2-1、金属加热丝1-2-2、热屏蔽套筒1-3、热反射膜1-3-1、排气小孔1-3-2、气体导管1-4、第一光学表面1-5；密封盖板机构2、密封盖板2-1、弧形凹槽轨道2-1-1、第二光学表面2-1-2、滚珠2-2、弹簧2-3；固定和密封盖转动机构3、固定基座3-1、电机3-2、减速箱3-3、减速箱输出轴3-4、孔洞3-5。

具体实施方式

本发明的技术方案由带热屏蔽套的真空加热杯1、密封盖板机构2、固定和密封盖转动机构3三部分组成。

金属加热丝1-2-2外部电泳上氧化铝陶瓷粉1-2-1组成热子组件1-2，烧结在样品杯1-1外部的螺纹槽1-1-1中，形成可加热式样品杯1-1，将其固定焊接在固定基座3-1上。热屏蔽套筒1-3焊接在样品杯1-1和固定基座3-1上，其中热屏蔽套筒1-3上端面开设小孔1-3-2，用于样品室在真空环境下工作时，使热屏蔽套筒1-3与样品杯1-1之间保持真空，以形成真空绝热层；当样品室在非真空环境下工作时，可以通过小孔1-3-2对热屏蔽套筒1-3和样品杯1-1之间的空间进行真空排气，使形成真空绝热层后，将小孔1-3-2真空密封。同时热屏蔽套筒1-3的内表面镀上反射膜1-3-1以增加热的反射，减少热损耗；这样加热丝1-2-2通过电流后可以在最小的功耗下实现对样品杯1-1的有效加热。气体导管1-4焊接在样品杯1-1的上部，其另一端可以与分析仪器的接口对接。电机3-2和减速箱3-3固接在固定基座3-1上。减速箱输出轴3-4与密封盖板2-1一端固定连接，密封盖板2-1的下端面为光学表面2-1-2；样品杯1-1的端面也为光滑平面1-5，两者紧密贴合。电机3-2的运转带动减速箱输出轴3-4旋转，减速箱输出轴3-4带动密封盖板2-1沿着样品杯1-1的端面1-5水平旋转。在密封盖板2-1上有弧形凹槽轨道2-1-1，该轨道以减速箱输出轴3-4中心为圆心。基座3-1上部有圆柱形空孔3-5，内部安装弹簧2-3，弹簧2-3下端压在滚珠2-2上，形成对密封盖板2-1的下压力。当减速箱输出轴3-4带动密封盖板2-1沿着样品杯1-1的端面水平旋转时，滚珠2-2在密封盖板2-1的凹槽中自如滑动。

真空环境下可加热密封样品室装置工作时，密封盖板2-1在电机3-2作用下旋转向一侧打开，让开进样通道，使样品可以放入真空加热杯中，放入样品后，对电机施加与密封盖板打开时相反的电压，使电机反向旋转，密封盖板2-1在电机3-2作用下向反方向旋转，并盖在真空加热杯1-1端面上。密封盖板上部有凹槽轨道2-1-1，在旋转过程中凹槽轨道中的滚珠2-2起到限位作用，同时真空加热杯1-1的光学表面1-5和密封盖板的光学表面2-1-2在弹簧2-3和滚珠2-2的作用下紧密贴合在一起，形成真空密封。光滑表面经过特殊处理如镀上固体润滑膜可避免紧密贴合时出现冷焊现象。对加热杯上的热子1-2通电，对样品进行加热，样品释放的气体通过气体导管1-4进入气体分析仪器。

Claims (5)

1.一种真空环境下可加热密封样品室装置，其特征是：该装置包括固定和密封盖转动机构(3)、位于固定和密封盖转动机构(3)中的带热屏蔽套的真空加热杯(1)、位于带热屏蔽套的真空加热杯(1)上的密封盖板机构(2)；

其中，带热屏蔽套的真空加热杯(1)包括外部有螺纹槽的样品杯(1-1)、烧结在螺纹槽中的热子组件(1-2)、位于热子组件(1-2)外的热屏蔽套筒(1-3)、位于外部有螺纹槽(1-1-1)的样品杯(1-1)上部外侧的气体导管(1-4)、样品杯端面具有第一光学表面(1-5)；与密封机构的密封盖板(2-1)之间形成真空密封。

密封盖板机构(2)包括上部具有弧形凹槽轨道(2-1-1)和下部具有第二光学表面(2-1-2)的密封盖板(2-1)、位于固定和密封盖转动机构(3)的孔洞(3-5)中，用于对密封盖板施压的滚珠(2-2)和弹簧(2-3)，滚珠(2-2)的下部放置在密封盖板弧形凹槽轨道(2-1-1)中，滚珠与密封盖板紧密接触；

固定和密封转动机构(3)包括放置加热杯、弹簧等的固定基座(3-1)、位于固定基座(3-1)中提供旋转密封盖板动力的电机(3-2)和减速箱(3-3)，减速箱(3-3)的输出轴(3-4)连接密封盖板机构(2)，实现盖板的旋转运动。

2.根据权利要求1所述的真空环境下可加热密封样品室装置，其特征是：在带热屏蔽套的真空加热杯(1)上螺纹槽(1-1-1)中设有涂有氧化铝陶瓷粉(1-2-1)的金属加热丝(1-2-2)所组成的热子组件(1-2)，用于对样品的加热；热屏蔽套筒(1-3)与样品杯(1-1)之间保持真空，以形成真空绝热层；热屏蔽套筒1-3内部涂覆热反射膜(1-3-1)，以增加热的反射，减少热损耗。

3.根据权利要求1或2所述的真空环境下可加热密封样品室装置，其特征是带热屏蔽套的真空加热杯(1)中，热屏蔽套筒(1-3)上保持排气小孔(1-3-2)。

4.根据权利要求1或2所述的真空环境下可加热密封样品室装置，其特征是：所述的样品杯(1-1)，在其端面保留有倒角(1-1-2)，利于密封盖板的旋转与复位。

5.根据权利要求1所述的真空环境下可加热密封样品室装置，其特征是：所述的第一光学表面(1-5)和第二光学表面(2-1-2)，表面有镀膜或涂覆固体润滑膜，避免紧密贴合时出现冷焊现象。

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