CN103558782B - 一种快速气动保护光抽运泡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速气动保护光抽运泡装置，该装置由微量氧分析仪监测超极化惰性气体系统原料气体中氧气的含量，当氧气含量超过设定的阈值时，微量氧分析仪发出触发信号，可以使得电磁阀开通后用高压气触发分别连接与光抽运泡进气端和光抽运泡出气端的第一气动阀和第二气动阀，使得第一气动阀和第二气动阀同时关闭，从而达到保护光抽运泡免受氧气污染的效果。

Description

一种快速气动保护光抽运泡装置

技术领域

本发明涉及原子分子物理装置领域，具体涉及一种利用氧气探测装置和阀门控制装置手段在氧气含量超过系统阈值时快速保护反应容器的装置，适用于超极化惰性气体系统上，用来保护光抽运泡，使其免受系统原料气体中超标的氧气的污染。

背景技术

利用自旋交换光抽运原理的超极化惰性气体技术是由美国普林斯顿大学Happer教授的实验室逐步发展起来，其主要原理是在激光的作用下，碱金属的最外层电子被激发到高能级态，此时，该碱金属原子的最外层电子具有高极化度，然后碱金属原子与系统中的惰性气体原子在通过碰撞的方式进行自旋交换，把电子的极化度转移到惰性气体的原子核上，从而使得惰性气体具有很高的极化度，自旋交换光抽运以用来制造超极化惰性气体³He和¹²⁹Xe技术已经发展的比较成熟，国外几个的研究组，如杜克大学的Driehuys.B[APP.Phys.Lett.69(1966),1668]和德国莱布尼兹研究所的Leif.[Phys.Rev.Lett.100(25):257603(2008)]研究组均已具备自己的超极化惰性气体系统。

从实际情况来看：影响超极化惰性气体系统工作性能和工作效率的一个因素是由于氧气进入系统的核心部件光抽运泡中而造成的对光抽运泡中活泼碱金属的氧化。目前，利用机械阀门的隔断技术广泛运用与各领域，用于对超出安全阈值的流体管道的切断[中国专利200910058770.0]。在激光极化惰性气体的技术领域中未发现利用流体的隔断技术对光抽运泡有保护的装置。本发明主要利用氧气探测装置，探测超极化惰性气体系统的管道中原料气体中氧气含量超标时或者系统管道进入氧气时，自动运用一系列的机械手段，切断光抽运泡与系统气体的连接，从而起到保护光抽运泡中的活泼碱金属免受系统中所进入的氧气的污染。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种快速气动保护光抽运泡装置，当供给超极化惰性气体系统中的原料气体中氧气的含量超过设定的标准，或者该装置在使用的过程中，由于误操作导致空气中的氧气进入时，气动保护装置可自动切断超极化惰性气体系统中原料气体与光抽运泡的联系，能够有效地保护光抽运泡不受系统内进入氧气的污染。

本发明的目的是这样实现的：

所述一种快速气动保护光抽运泡装置属于超极化惰性气体系统，它是超极化惰性气体系统的核心部件，用来检测进入光抽运泡中的原料气体并保护光抽运泡。

一种快速气动保护光抽运泡装置，它包括光抽运泡、气动阀、电磁阀、微量氧分析仪，固态继电器、负载端电源、高压气源。高压气源与电磁阀的一端相连，电磁阀的驱动端与负载端电源相连，并分别于固态继电器负载端正负极相连，固态继电器输入端正负极分别与氧气探测传感器的正负极相连，高压气源提供的高压氮气经过管道流过电磁阀的进出口，并分别与气动阀的第一气控端和第二气控端相连。气动阀的第一气口与光抽运泡的进气口相连，气动阀的第二气口与光抽运泡的出气相连，气动阀的第一气控端控制第一气口的开关状态、气动阀的第二气控端控制第二气口的开关状态。

平常状态下，电磁阀处于关闭状态，因此高压气体不能够通过电磁阀而触碰第一气控端和第二气控端，第一气控端和第二气控端处于低压力状态，当该两个气控端处于低压状态时，第一气动阀和第二气动阀的两个气口处于开通状态，实验气体可以顺利的从进气口进入光抽运泡并与碱金属发生反应之后从出气口流出。当电磁阀开通之后，高压气体触碰第一气控端和第二气控端，从而使得第一气动阀和第二气动阀的两个气口关闭。

所述的超极化惰性气体可包括：超极化³He,超极化⁸⁷Kr,超极化¹³¹Xe和¹²⁹Xe等。

所述高压气源为氮气，用氮气而不用空气做触发气体的目的是为了防止触发开关里面的氧气进入到出气口里面与使得其中的超极化气体退极化。

所述的光抽运泡两端同时接入第一气动阀和第二气动阀，同时关闭，同时导通，这样可以最大限度的保持光抽运泡中的压力，同时避免杂质气体进入光抽运泡。

所述光抽运泡材质为组分SiO₂-81%、B₂O₃-13%、Na₂O/K₂O-4%、Al₂O₃-2%的硼硅玻璃或者石英玻璃。光抽运泡的进气口和出气口与第一气动阀和第二气动阀通过PFA管道相连。

所述第一气动阀和第二气动阀处于常开状态，当气控端有高压气体作用时，相应方向的进气口会随之关闭。

所述电磁阀处于常闭状态，固态继电器导通时，电磁阀的驱动端与负载电源相连，此时电磁阀导通，高压气体通过电磁阀作用与气动阀气控端。

所述氧气探测传感器放置在超极化惰性气体系统进气端，专门负责监测进入系统气体中氧气的含量。正常工作时，如所检测气体中氧气的含量未超过传感器设定的含量，氧气探测传感器的正负极之间无电压输出，为低信号；如所检测气体中氧气的含量超过传感器设定的含量或者由于系统被误操作导致氧气进入，传感器的正负极之间输出5V电压。

所述固态继电器控制端正负极分别与氧气探测传感器的正负极相连，负载端通过负载电源连有电磁阀驱动端。当固态继电器控制端正负极为低电压时，负载端为关闭状态，不能驱动电磁阀；当固态继电器控制端正负极为高电压时，负载端导通，从而驱动电磁阀。

本发明与现有技术相比，具有以下效果：

1、能够有效的、快速地在发现原料气体中氧气含量超标时关闭光抽运泡。

2、减小氧气进入光抽运泡可以有效的延长光抽运泡的使用寿命。

3、关闭光抽运泡时，不会因为关闭光抽运泡的进出口先后顺序导致光抽运泡内压力发生变化，对于光抽运泡中的碱金属与惰性气体自旋交换的效果没有影响。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的控制流程图。

图中：1-光抽运泡；2-第一气动阀；3-第二气动阀；4-电磁阀；5-微量氧分析仪；6-固态继电器；7-高压气源；8-负载电源；9-第一气控端；10-第二气控端；11-第一气口；12-第二气口；13-光抽运泡进气端；14-光抽运泡出气端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的一种快速气动保护光抽运泡装置及实验方法做进一步详细的说明：

如图1所示，一种快速气动保护光抽运泡装置包含氧气检测装置和阀门控制装置，通过氧气检测装置检测超极化惰性气体原料气体中氧气的含量，并向阀门控制装置发出控制信号，当原料气体中氧气的含量超过氧气检测装置预先设定好的阈值时，阀门控制装置会同时关闭光抽运泡进气口和出气口。

如图2所示，一种快速气动保护光抽运泡装置，包括光抽运泡1、第一气动阀2、第二气动阀3、电磁阀4、微量氧分析仪5、固态继电器6、高压气源7和负载电源8，第一气控端9、第二气控端10、第一气口11、第二气口12、光抽运泡进气端13和光抽运泡出气端14。光抽运泡进气端13与光抽运泡出气端14与光抽运泡1连接，三者相同材质，为硼硅玻璃，内有硅烷涂层，且分别与第一气动阀2、第二气动阀3的第一气口11和第二气口12相连。第一气动阀2和第二气动阀3的控制端第一气控端9和第二气控端10均通过管道与电磁阀4的出气口相连，电磁阀4的入气口通过管道与高压气源相连。电磁阀4的与负载电源8串联，负载电源8的另外一端与固态继电器6负载端3号电极相连，电磁阀4的驱动端另外一端直接与固态继电器6负载端4号电极相连。微量氧分析仪5是美国的在线式氧气分析仪GPR-1900，其的正负极分别与固态继电器6控制端的1号和2号电极相连。

一种快速气动保护光抽运泡装置中光抽运泡1和光抽运泡出气端14内均涂有十八烷基硅烷涂层；第二气动阀3、第二气口12包括均为PFA树脂材料，第二气动阀3中气体通过的管道中均有PFA树脂涂层。PFA树脂是四氟乙烯和全氟烷氧基乙烯基醚共聚物，PFA涂层一般表面纯净度较高，其好处是能够减少超极化气体经过该管道时，由于管壁杂质以及其他金属使得气体的退极化。第二气动阀3为厂家特制，因为市面上购买的气动阀的阀芯中的材质均为金属，而金属会使得超极化气体的极化度迅速的退去，因此要求选取气动阀时，其阀芯的材质上应该包覆PFA涂层，同时要求阀体本身为PFA材质。

超极化惰性气体可包括：超极化³He,超极化⁸⁷Kr,超极化¹³¹Xe和¹²⁹Xe等。

超极化惰性气体为¹²⁹Xe。用于开启气动阀的高压气体为高纯氮气，其纯度为工业高纯度标准99.999%，出口压力通过减压阀调节，一般要求触发压力大于超极化¹²⁹Xe气体的出口压力，在触发端口和出气端口形成压力差，这样才能触动气动阀。使用高纯氮气而不使用高压空气作为触发气体的目的是为了防止在触发开关时，空气中的氧气与超极化¹²⁹Xe气体混合，使得超极化¹²⁹Xe退极化。

在平常的状态下，微量氧分析仪5可以设定氧气含量的报警上限，报警上限一般设定为1ppm，一般情况下，原料气体中的氧气含量<1ppm左右，考虑到各个厂家的原料气体对于氧气杂质的细致区别，因此报警上限设置稍大于一般的工业标准。当原料气体中的氧气含量低于设定的氧气含量时，进入系统的气体中氧气含量低于该报警上限时，微量氧分析仪5的正负极输出电压为0V，此时，该电压低于固态继电器6控制端的启动电压，固态继电器6的负载端不导通，电磁阀4的与负载电源8还有固态继电器6形成一个断路，电磁阀4不会通气；如原料气体中实际的氧气含量高于设定的氧气含量阈值时，或者是人为的误操作导致系统中有氧气大量进入，微量氧分析仪5的正负极输出电压为5V，此时，固态继电器6控制端启动，固态继电器6的负载端导通，电磁阀4与负载电源8还有固态继电器6形成一个通路，电磁阀4通气。

微量氧分析仪5的探头将置于超极化惰性气体系统的进气端与纯化器之间的位置。微量氧分析仪5的探头主要用于监测系统原料混合气体的纯度，微量氧分析仪5将所属探头的信号处理后，通过和设定阈值相比较，通过发出指令信息控制电磁阀4的开闭情况。

如遇氧气进入系统，第一气动阀2和第二气动阀3同时关闭，能够保持光抽运泡中气体压力，不至于因为进口和出口端气动阀关闭的先后导致光抽运泡中压力变化，从而影响光抽运泡中碱金属与惰性气体的自旋交换效率。

将微量氧分析仪5置于纯化器之前用来检测纯化器之前的管道中氧气的含量。这样做是因为实验用纯化器是一种致密的含有经过活化的铜氧化物和锌氧化物的化合物，当纯化器之前的管道中出现氧气超标的情况时，迅速的作出反应，微量氧分析仪5可以立刻发出信号，从而使得电磁阀4开启，氧气由于要通过致密的铜和锌的氧化物层需要一定的时间，该时间长于微量氧分析仪5的信号传导时间和电磁阀4的动作时间，因此管道中的氧气还没有到达光抽运泡时关闭光抽运泡。

如图3所示，一种快速气动保护光抽运泡装置工作流程示意图，原料气体从超极化惰性气体系统进气口进入系统管道中，原料气体在系统管道中被微量氧分析仪的探头检测。微量氧分析仪的探头对于原料气体中的微量氧气含量经过探测后，把探测的结果反馈到微量氧气分析仪中，微量氧气分析仪将检测结果与设置的阈值相比较，如果所检测气体氧气含量值超过氧气分析仪设定的阈值，微量氧气分析仪反馈信号将控制电磁阀开，由于电磁阀开后，高压气源中的高纯氮气会触动两个气动阀门的开关，使得两个气动阀门同时关闭，此时光抽运泡封闭；如果所检测气体氧气含量值没有超过氧气分析仪设定的阈值，微量氧气分析仪将不反馈任何信号给电磁阀，此时电磁阀门不会开，同时微量氧分析仪继续检测原料气体中的微量氧气。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种快速气动保护光抽运泡装置，包括光抽运泡(1)，其特征在于，所述的光抽运泡(1)包括光抽运泡进气端(13)和光抽运泡出气端(14)，光抽运泡进气端(13)通过第一气动阀(2)与外部的进气部件连接，光抽运泡出气端(14)通过第二气动阀(3)与冷阱连接，第一气动阀(2)的第一气控端(9)和第二气动阀(3)的第二气控端(10)均通过电磁阀(4)与高压气源(7)连通，电磁阀(4)的驱动端通过固态继电器(6)与负载电源(8)连接，固态继电器(6)的控制端与微量氧分析仪(5)连接，高压气源(7)的气体为纯度大于99.999％的工业高纯氮气，还包括与第一气动阀(2)的进气端连接的纯化器，所述的微量氧分析仪(5)检测纯化器的进气处的氧气含量。

2.根据权利要求1所述的一种快速气动保护光抽运泡装置，其特征在于，所述的第二气动阀(3)为PFA树脂材料，或者第二气动阀(3)内的气体通道包覆有PFA树脂涂层。

3.根据权利要求1所述的一种快速气动保护光抽运泡装置，其特征在于，所述的第一气动阀(2)和第二气动阀(3)同步打开或关闭。

4.根据权利要求1所述的一种快速气动保护光抽运泡装置，其特征在于，所述的光抽运泡进气端(13)、光抽运泡出气端(14)和光抽运泡(1)均为硼硅玻璃，且三者内壁均设置有硅烷涂层。