CN106268568A - 一种高温熔融材料的静电悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温熔融材料的静电悬浮装置，包括：侧面设有多个窗口的腔体；设置于所述腔体内的电极单元，所述电极单元包括用于控制样品的竖直方向位置的竖直方向上的主电极对和用于控制所述样品的水平方向位置的至少一对侧电极对；设置于所述腔体外侧的位置激光单元，所述位置激光单元包括以所述腔体的轴心中心对称的至少一对激光器和位置探测器，所述激光器产生的光束穿过所述腔体的窗口投射于所述位置探测器上；设置于所述腔体外侧的加热激光单元，所述加热激光单元包括至少一个加热源，所述加热源穿过所述腔体的窗口对所述样品加热。本发明可进行高温加热，且悬浮稳定性优异，能够满足材料热物性研究及新材料制备等工作。

Description

一种高温熔融材料的静电悬浮装置

技术领域

本发明涉及利用电场力悬浮材料并进行加热熔融，进而制备新材料及研究材料熔体状态热物性，属于无容器新材料开发领域，具体地，涉及一种高温熔融材料的静电悬浮装置。

背景技术

无容器技术来源于空间，用来模拟空间中的无容器状态，利用外界产生的物理场作用抵消物体重力，使物体处于无容器状态，它避免了坩埚对材料表面的接触与污染，能够抑制异质形核，获得深过冷，是制备高纯亚稳态新型功能材料的有效手段。

无容器技术包括气悬浮、电磁悬浮、声悬浮、静电悬浮等稳定悬浮及落管、甩带等无容器过程。气悬浮利用气流浮力实现样品悬浮，结构及操作简单，悬浮力较大，适用任意样品，但悬浮稳定性较差；电磁悬浮利用高频磁场在金属中产生涡流，产生洛伦兹力实现悬浮，悬浮力强，可以通过气流控制过冷度，但样品必须导电，加热和悬浮不能独立调节；声悬浮利用高强声波产生作用力使样品悬浮，悬浮力小，样品受热严重影响悬浮稳定性；落管、甩带等均是采用常规方法熔融样品后，使样品掉落或喷出实现短暂的无容器过程，无容器状态时间短，制备样品小，由于容器限制，加热温度不高；静电悬浮利用电场中样品受到库仑力平衡重力来实现悬浮，静电悬浮适用范围广，样品内部扰动极小，能够在高温、高真空环境下实现稳定悬浮，适用于液态合金的深过冷及快速凝固研究，静电悬浮悬浮力较小，装置复杂。

静电悬浮是利用静电场中带有静电的样品受到的库仑力来平衡重力，实现无容器状态。根据Earnshaw定理，静电场不存在三维最小静电势，所以要实现稳定悬浮就必须结合负反馈控制系统。静电悬浮前样品必须预极化，主要有三种方式：静电感应带电、光电效应带电和热电子发射带电，三种方式结合使用才能实现样品的稳定悬浮。由于静电悬浮的无容器、高真空、高温和悬浮稳定，因此在熔体的热物性、冷却与凝固、材料的合成与制备和空间实验等方面已经有初步的应用。

美国宇航局JPL实验室的Rhim等人于1993年引入真空和激光加热技术，成功地实现了金属材料在高真空环境下的熔融和深过冷，使得静电悬浮技术开始进入材料科学研究领域。近几十年来，静电悬浮技术的发展主要集中在电极系统的改进和反馈控制精度的提高两方面。

最初的静电悬浮只有上下一对电极，样品很难稳定悬浮，现有电极采用三对电极三维立体控制，样品稳定性有了很大提高，但又受制于电极形状分布的影响，高温状态稳定性还有待提高。

样品的稳定悬浮需要反馈控制系统，最初的反馈控制系统由汇编语言写成，程序复杂且通用性不好。随着虚拟仪器技术的发展，利用虚拟仪器实现反馈控制成为趋势。其利用可视化的图形语言，通过对位置-电压映射的模糊化处理和PID参数的自动调节完成对不同样品的自动控制，使静电悬浮抗干扰性和控制精确性大大提高。

但是，目前，国内未见能够高温稳定悬浮的静电悬浮装置，而国外的静电悬浮装置高温悬浮稳定性也有待改善，加热温度还需进一步提高。静电悬浮主要难点在于样品悬浮的稳定性与多因素有关，包括电极形状位置、位置激光的控制、控制软件精度、样品受热对带电影响等等。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高温熔融材料的静电悬浮装置，其可进行高温加热，且悬浮稳定性优异，能够满足材料热物性研究及新材料制备等工作。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种高温熔融材料的静电悬浮装置包括：侧面设有多个窗口的腔体；设置于所述腔体内的电极单元，所述电极单元包括用于控制样品的竖直方向位置的竖直方向上的主电极对和用于控制所述样品的水平方向位置的至少一对侧电极对；设置于所述腔体外侧的位置激光单元，所述位置激光单元包括以所述腔体的轴心中心对称的至少一对激光器和位置探测器，所述激光器产生的光束穿过所述腔体的窗口投射于所述位置探测器上；设置于所述腔体外侧的加热激光单元，所述加热激光单元包括至少一个加热源，所述加热源穿过所述腔体的窗口对所述样品加热。

根据本发明的静电悬浮装置包括侧面设有多个窗口的腔体，电极单元，位置激光单元，加热激光单元，腔体提供真空或气氛环境，进样及回收，为整套装置的中心，电极单元由多对电极形成电场控制样品稳定悬浮，位置激光单元由激光器及位置探测器组成，定位样品反馈调节电压，加热激光单元实现多方位加热，由此，可实现样品高温熔融状态下的稳定悬浮，避免容器壁及其他污染，并结合成像、测温等手段更为准确的测试熔体密度、粘度等热物性，制备并指导新材料的开发。采用本发明的静电悬浮装置，其加热温度例如可达3000℃以上。

又，在本发明中，所述位置激光单元包括两对激光器和位置探测器，两个激光器产生的光束成80°～100°夹角。

根据本发明，两束激光照射样品形成三维直角坐标系，分别控制ZX、ZY平面样品位置。

又，在本发明中，所述激光器包括He-Ne激光器，所述激光器产生的光束经过聚光镜投射于所述位置探测器上。

根据本发明，采用激光器及位置探测器，能够精确调节样品位置，使样品更容易稳定悬浮。

又，在本发明中，所述加热激光单元包括多个加热源，所述多个加热源包括沿着竖直方向照射所述样品的竖直方向加热源和沿着所述腔体的周向以均匀的间隔分布的多个水平方向加热源。

根据本发明，能够更有效地实现多方位加热。

又，在本发明中，所述主电极对中的上电极的端面为圆形平面，下电极的端面为凹面，两者分别设有相对的中心通孔，上、下电极的端面平行且上电极的端面的面积小于下电极的端面的面积，两端面之间距离为6～10mm。

根据本发明，上电极通负电后，主电极对之间形成电场，感应带电的样品受电场力平衡重力而悬浮，调节上电极电压控制样品竖直方向位置及稳定性。

又，在本发明中，还包括可上下活动地通过所述主电极对的上、下电极的中心通孔的顶杆，所述顶杆的端头设有凹槽。

根据本发明，顶杆有两方面作用，一是在放样时，顶杆上升进入上电极通孔，样品由腔体上方进入后，经过导轨，由上电极中心通孔落入顶杆端头凹槽，下移顶杆至下电极，完成进样。二是在上电极加电压悬浮时，振动顶杆使样品与之分离，样品带电悬浮。

又，在本发明中，还包括设置于所述腔体上的进样单元，所述进样单元包括穿过所述腔体的上盖板的导管和设置于所述导管上的阀门。

根据本发明，所述样品由所述导管从所述主电极对的上电极的中心通孔掉落在所述顶杆上。

又，在本发明中，包括两对侧电极对，其位于所述主电极对之间的水平面上，所述侧电极对均固定在可转动的圆板上，且形成为细杆状，端头相对，呈水平十字分布，且距所述主电极对中的下电极的端面的高度为2～5mm。

根据本发明，调节侧电极电压，控制悬浮样品在水平方向上的位置及稳定性。

又，在本发明中，所述主电极对中的上电极接负电高压放大器，下电极接地；所述侧电极对中，相邻侧电极分别接高压放大器，对称电极接地。

根据本发明，能够更有效地控制样品在竖直方向及水平方向上的位置。

又，在本发明中，所述腔体的窗口形成有凹槽，所述凹槽内设有橡胶圈及玻璃片。

根据本发明，玻璃片紧密贴合橡胶圈密封腔体，同时满足光线通过、观察等作用。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1为根据本发明的一实施形态的高温熔融材料的静电悬浮装置的腔体内部结构示意图；

图2为图1所示的静电悬浮装置的俯视示意图；

图3为图1所示的静电悬浮装置中的上盖板的俯视示意图；

图4为8mg碳球大气环境下悬浮位置时间-关系图，其中悬浮时振幅小于0.01mm；

图5为22mg碳化硅球在真空环境下悬浮位置时间-关系图，其中悬浮时振幅小于0.02mm；

图6为36mg铌球真空环境下熔融悬浮位置-时间关系图，其中悬浮时振幅小于0.02mm；

图7为40mg锆球真空环境下熔融降温曲线图；

图8为36mg铌球真空环境下熔融降温曲线图；

图9为27mg钽球真空环境下熔融降温曲线图；

符号说明：

1 进样阀门，2 进样导管，3 上盖板，4 上电极吊杆，5 绝缘陶瓷板，6 上电极，7 侧电极，8 下电极，9 窗口，10 样品回收版，11 腔体，12 侧电极支撑杆，13 下底板，14 顶杆，15 He-Ne激光器，16 温度计，17 CO₂激光器，18 分子泵，19 紫外线仪，20 电离硅，21 位置探测器（PSD），22 照明光源，23 侧电极电压线，24 CCD，25 样品。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施形态进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。需要申明的是：以下实施形态只用于对本发明的技术方案作进一步详细地验证说明，不能理解为对本发明适用保护范围的限制。本领域的技术人员根据本发明的权利要求内容做出的非本质性改进和调整均属于本发明的保护范围。

本发明对现有的静电悬浮装置，例如静电悬浮炉中的诸多问题提出了解决方案：改进了腔体形状及内部部件，使之更为合理紧凑；改进了电极形状及分布，提高了悬浮稳定性及可操作性；改善了进样装置，进样、取样更为方便；采用了激光聚焦镜，提高了加热温度；采用了高精度的PSD及计算机PID控制，提高了反馈控制精度。通过诸多创新性改进，成功研制出了悬浮稳定性优异的高温熔炼静电悬浮炉。

本发明所提供的一种高温熔融材料的静电悬浮装置包括：侧面设有多个窗口的腔体；设置于所述腔体内的电极单元，所述电极单元包括用于控制样品的竖直方向位置的竖直方向上的主电极对和用于控制所述样品的水平方向位置的至少一对侧电极对；设置于所述腔体外侧的位置激光单元，所述位置激光单元包括以所述腔体的轴心中心对称的至少一对激光器和位置探测器，所述激光器产生的光束穿过所述腔体的窗口投射于所述位置探测器上；设置于所述腔体外侧的加热激光单元，所述加热激光单元包括至少一个加热源，所述加热源穿过所述腔体的窗口对所述样品加热。

图1为根据本发明的一实施形态的高温熔融材料的静电悬浮装置的腔体内部结构示意图；图2为图1所示的静电悬浮装置的俯视示意图；图3为图1所示的静电悬浮装置中的上盖板3的俯视示意图。以下结合图1～3所示的实施形态将本发明的静电悬浮装置（即静电悬浮炉）分为腔体、电极单元、位置激光单元和加热激光单元四部分进行说明。

1、腔体

腔体11可为圆形，其材料均为304不锈钢，主要由上盖板3、腔体11及下底板13组成，上盖板3上有多个窗口，用于上方激光加热、进样及上电极高压输入。腔体11主体为圆环柱状，侧面窗口满足观察、激光光路、测温、真空控制等诸多用途。下底板13上的窗口安装有顶杆14，用于调整样品位置，样品粘接在下电极8上时拨动样品。各窗口外侧有凹槽，安放橡胶圈，再盖上石英玻璃片，外部盖板通过一块塑料垫圈将玻璃片与橡胶圈压紧，外部由螺丝锁定。

腔体11的下端通过橡胶圈与两圆环板锁定，并固定在光学平台上，圆环板中心在外部由一块圆盖板密封，一根长顶杆14套上两块小橡胶圈后固定在圆盖板上，顶杆14能自由滑动且不影响真空度。腔体11的内部中空圆柱固定在密封盖板上，圆柱上端可螺旋固定下电极8，长顶杆14的端头形成为凹槽，可伸长至上电极6的中心通孔，承接样品，悬浮时振动触发样品脱离下电极8悬浮。

腔体11的上端的盖板3有四个窗口呈正方形分布，一个窗口安装上电极高压导线，用于提供样品悬浮力，中心窗口作为上激光（加热源）通孔，在一块窗口盖板上安装反光镜，使激光通过中心窗口垂直进入腔体，穿过上电极中心孔照射样品。一个窗口作为进样口，窗口盖板中心通过一个竖直导管2，导管上安装两个阀门1，可以分段式送样，样品进入腔体后，通过一块倾斜导管进入上电极6的孔道中，由顶杆14承接并移至下电极8。此进样装置进样便捷稳定，且对真空度影响极小。

2、电极单元

电极单元包括主电极、侧电极及其相连的电压放大器，电极的形状、大小、位置影响电场分布，对样品稳定悬浮影响显著。我们采用的上电极6的端面为圆形平面，中心为斜面通孔，用于样品通过，上电极6通过绝缘陶瓷板固定在腔体11的盖板3上，并经过盖板3与负高压放大器连接，在上下电极6、8直接产生高压电在竖直Z方向使样品悬浮。

下电极8的端面为凹槽形圆面，中心通孔用于通过顶杆14，凹面下电极8能够在水平方向上形成向内的约束力，利于样品悬浮稳定，同时也利于样品滑动至中心位置。上下电极6、8中心正对，上电极6的端面面积小于下电极8的端面面积，两端面之间距离为6～10mm。

侧电极7呈十字形对称分布，固定在一块圆形盖板上，盖板可自由转动，每对侧电极距离大于下电极8的直径，距下电极8的高度为2～5mm，相邻侧电极7的下端通过导线分别与另外两台高压放大器连接，控制水平XY方向电压变化，控制水平稳定性。由于侧电极7的位置高于下电极8，相比侧电极7和下电极8处于同一高度时，样品悬浮稳定性更优，又由于电极尺寸较小，不会对光路及观察产生影响。

3、位置激光单元

在本实施形态中，可采用两台He-Ne激光器15发出632nm的红色激光，激光功率≥2mW，经镜头调节后，光斑直径5mm，照射样品，通过对面窗口及聚光镜，照射在位置敏感探测器(PSD)21上，感光面积为直径10mm的圆，样品阴影处于光斑中心线上，初始位置与光斑下端相切，样品稳定悬浮高度为光斑中心位置。PSD21与光斑重心位置有关，调节光斑大小及位置，使其处于PSD21感光面最中心，此时PSD21调控精确度最高，样品更容易稳定悬浮。

PSD21将位置模拟信号输入计算机转换为数字信号，经过比例-积分-微分(PID)处理，形成控制信息，转换为电压模拟信号输入电压放大器，调节电压进行控制。一部PSD21控制ZX面，另一部控制ZY面，这样就形成了三维的位置控制。在ZY面PSD21之前，安装一块分光镜，将部分光转至振荡光谱探测器上，可以用来分析熔融样品振动模式下的粘度特性。

4、加热激光单元

在本实施形态中，可采用四台CO₂激光器17作为加热源用于加热样品，激光光斑与指示光校准后，调节指示光由反光镜反射经过窗口处的聚光镜进入腔体，照射样品。经过聚光镜后，激光光斑可以汇聚至1mm以下，提高了加热温度，三路激光功率均为100W，夹角120°，使样品加热均匀。顶端加热激光器功率相对较小，功率30W，起预热样品的作用，同样通过反射聚焦后垂直照射样品。

腔体及电极等金属部件均是图纸设计后采用304钢加工而成的，整个装配调试过程分为以下几个过程。

（1）腔体组装

腔体11主体侧面均匀分布有诸多不同尺寸的窗口9，腔体11外侧有小凹槽，用于安放橡胶圈，橡胶圈涂上真空油后，再安装于窗口尺寸适合的盲板或石英玻璃片，用中心圆形开口的方形盖板从外部压紧盲板或石英玻璃片，盖板内侧有环形凹槽，环形塑料片嵌入其中，减小和玻璃片之间的硬接触，预防玻璃碎裂。腔体11主体上下两端均有放橡胶圈的凹槽，下端与中心开孔的下底板13和铝合金板拧紧后，固定在光学平台上。上盖板3窗口呈正方形分布，中心为激光窗口，中心用盲板封住，周边四个窗口用盖板封住，上盖板3与腔体11主体之间由橡胶圈软接触，螺丝拧紧。

（2）真空度检测

用水平仪检测平台及腔体11水平，调节平台四个支脚至腔体11水平，腔体11主体下段两窗口安装电离硅20、电阻硅单元，安装波纹管与分子泵18相连，其他窗口均有盲板或盖板密封，分子泵上装有电离硅，并与机械泵连接。一切准备就绪后，机械泵抽真空至个位数量级，开启分子泵18，记录腔体及分子泵18处真空度，若腔体真空度在10^-4Pa量级或以下，则真空度良好，否则对各个接口处选择性检查，对腔体11、波纹管等部件用加热带加热处理，多次测试以达到最佳真空度。

（3）整体组装

主要包括安装电极、位置激光单元和加热激光单元，腔体11下端密封板，外侧为内螺纹孔，内侧为外螺纹孔，密封板压紧凹槽中的橡胶圈固定紧，长顶杆14串上外螺纹直孔螺丝、压片、橡胶圈、压片、橡胶圈，压入内螺纹孔中，橡胶圈能保证气密性，且顶杆14能自由滑动，中空圆柱与内侧外螺纹固定，顶杆14穿过其中。

安装侧电极支架：圆片外径与腔体11内径一致，其上固定四根侧电极支撑杆12，在杆上固定一块U形环槽，U形槽用来承接样品，内环盖上一块中心10mm圆孔的薄盖板，薄盖板可在内环上转动。侧电极7为细圆柱状，十字对称，水平分布，距下电极8高度2-5mm，通过绝缘陶瓷管固定在薄盖板上，这样侧电极7也能水平角度上进行调整，电极高度也能调整。相邻侧电极7通过腔体11下端窗口分别与外界高压放大器相连，对称电极不作处理。

下电极8为T字型，端面直径25mm，中心通孔直径3.5mm，下端通过薄盖板，旋转固定在中空圆柱上。上电极6也是T字型，柱面为上大下小的梯形面，竖直截面中心为斜面接直径3.5mm的通孔，末端水平，设置真空环境下上下电极距离8mm，未抽真空时，由于腔体上端橡胶圈的弹力，保持高度9mm。上电极6固定在绝缘陶瓷板5上，陶瓷板通过支杆固定在腔体11的上盖板3上，上电极6水平可以调节，一根铜丝将负高压电引入上电极6，在上下电极之间形成电场，下电极8样品感应带正电，竖直敲击顶杆14触发样品振动，使样品浮起，三维方向控制使其稳定。

将电极组装好之后，应进行放电检测。高压放大器最大输出电压为30kV，为防止高压时，电极放电造成实验故障及危险，分别在常压及真空环境下加电压测试，常压下，应保证8kV以下不放电，抽真空至10^-4Pa时，保证30kV之内不放电，这样才能满足使用要求。存在放电时，对电极接触陶瓷板绝缘性进行检查，检查电极光洁度，是否存在毛刺、污点等，最长出现的问题是，电极附近零部件未清洗干净，需要用酒精超声清洗多次。

放电电压与空气压强存在一定关系，可用帕邢定律来表示：

；

a和b为常数，U（kV）为击穿电压，p（Torr）为压强，d（cm）为电极的距离，随压强减小，击穿电压与压强的关系是一条向下弯曲的曲线，压强降低，击穿电压降低，但当气压再下降时，电压则迅速上升，应该避免在10^-1Pa左右加电压。

将需要使用的窗口换成石英玻璃，将加热激光器光路上的盲板换成ZnSe聚光玻璃，安装进样装置，在上盖板窗口外侧，双阀门1连接导管2，内侧一块塑料导轨连通上电极6的内孔，安装两组He-Ne位置激光，夹角80°，在对称面位置，聚光镜和PSD安装在滑动导轨上，便于调节距离，滑动导轨固定在光学平台上，放一标样在下电极8上，位置激光照射样品投影到PSD感光面上，样品始终位于光斑竖直中心线上，初始时与光斑下端内切，调整PSD与聚光镜位置，使光斑保持直径10mm，整个光斑位于PSD感光面中心，微调光斑使计算机中位置信号竖直趋近于0，表示光斑位于感光面最中间，控制最为精确。PSD将ZX平面及Y方向位置信号导入计算机，控制软件将反馈电压信号输入高压放大器，引起电压变化，完成一个控制循环。

除上述以外整套装置还包括CCD摄像装置24、测温装置、照明22及紫外线仪15等，摄像装置由两部照相机与摄像机、显示屏连接，一部相机视野大，观察范围包括整个电极，另一部相机视野小，观察放大后的样品，用于后续数字化分析。红外高温计探头、照明灯和紫外线发射端各占用一个窗口，以上构成了整套装置。

（4）不同气压下的悬浮

样品受热发射电子，容易带正电，上电极通负高压电，在上下电极之间形成电场线向上的电场，样品在电场作用下悬浮，加之水平方向电场作用，在反馈调节下实现稳定悬浮；；

式中，m为样品质量，Q _S 为样品表面带电量，U为上电极电压，d为上下电极之间的距离。

A、大气环境下的悬浮：

大气环境下，由于受放电电压的限制，开启照相机、He-Ne激光器，移动上盖板，微调上电极水平位置，使上下电极中心正对，标准碳球质量8mg，直径2.21mm，由进样口导入下电极中央，打开控制软件，调整位置激光光斑至最佳位置，开启竖直方向及水平方向三台高压放大器，逐步提高电压，尝试不同电压下敲击顶杆，观察样品能否浮起，改变侧电极电压极性、软件控制PID（比例-积分-微分）参数，多次尝试找到最佳状态。如图4，电压为6kV时，碳球弹起，2秒钟内进入稳定悬浮，竖直方向振幅小于0.01mm，水平方向振幅小于0.02mm，悬浮十分稳定。

B、真空环境下的悬浮：

抽真空至气压为10^-4Pa以后，导入标样SiC小球，质量22mg，直径2.38mm，同样的方法进行悬浮调试，最终在上电极电压9kV时达到稳定悬浮，如图5，竖直水平方向振幅均小于0.02mm。

（5）激光加热及熔融样品悬浮

调整加热激光与其指示光光斑一致，用顶杆将样品提升至稳定悬浮位置，将激光器固定在合适位置，使指示光经由反光镜反射，聚光镜汇聚后，照射在样品上，三束光斑呈正三角形分布。抽真空之后，开启各路激光电压等设备，从进样口导入样品Nb球，质量36mg，直径1.92mm，由顶部激光预热数秒，保持6%功率恒定加热，如前述方法悬浮，在电压10kV附近实现了悬浮，此时样品温度在900℃左右，开启水平三路激光，在一定功率时，实现了样品完全熔融，熔融样品由于热扰动的影响，稳定性要略差于未加热时，但三维方向振幅仍然低于0.02mm（如图6），稳定性相当优异，关闭激光器可观察到明显的辉光现象。

图7～9是Zr、Nb和Ta熔融降温曲线图，过冷度300～600℃，凝固时有复辉，温度急剧升高，降温速度快。现有加热温度已达3100℃，还有很大的上升空间。采用静电悬浮装置已经成功熔融Zr、Hf、Nb、Ta等金属单质，并实现了稳定悬浮，通过采集熔体状态下的体积变化及振动变形，可以测得熔体密度、粘度、表面张力等热物性，研究范围将逐步扩展到二元、多元合金及氧化物材料体系。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种高温熔融材料的静电悬浮装置，其特征在于，包括：

侧面设有多个窗口的腔体；

设置于所述腔体内的电极单元，所述电极单元包括用于控制样品的竖直方向位置的竖直方向上的主电极对和用于控制所述样品的水平方向位置的至少一对侧电极对；

设置于所述腔体外侧的位置激光单元，所述位置激光单元包括以所述腔体的轴心中心对称的至少一对激光器和位置探测器，所述激光器产生的光束穿过所述腔体的窗口投射于所述位置探测器上；

设置于所述腔体外侧的加热激光单元，所述加热激光单元包括至少一个加热源，所述加热源穿过所述腔体的窗口对所述样品加热。

2.根据权利要求1所述的静电悬浮装置，其特征在于，所述位置激光单元包括两对激光器和位置探测器，两个激光器产生的光束成80°～100°夹角。

3.根据权利要求2所述的静电悬浮装置，其特征在于，所述激光器包括He-Ne激光器，所述激光器产生的光束经过聚光镜投射于所述位置探测器上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的静电悬浮装置，其特征在于，所述加热激光单元包括多个加热源，所述多个加热源包括沿着竖直方向照射所述样品的竖直方向加热源和沿着所述腔体的周向以均匀的间隔分布的多个水平方向加热源。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的静电悬浮装置，其特征在于，所述主电极对中的上电极的端面为圆形平面，下电极的端面为凹面，两者分别设有相对的中心通孔，上、下电极的端面平行且上电极的端面的面积小于下电极的端面的面积，两端面之间距离为6～10mm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的静电悬浮装置，其特征在于，还包括可上下活动地通过所述主电极对的上、下电极的中心通孔的顶杆，所述顶杆的端头设有凹槽。

7.根据权利要求6所述的静电悬浮装置，其特征在于，还包括设置于所述腔体上的进样单元，所述进样单元包括穿过所述腔体的上盖板的导管和设置于所述导管上的阀门。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的静电悬浮装置，其特征在于，包括两对侧电极对，其位于所述主电极对之间的水平面上，所述侧电极对均固定在可转动的圆板上，且形成为细杆状，端头相对，呈水平十字分布，且距所述主电极对中的下电极的端面的高度为2～5mm。

9.根据权利要求8所述的静电悬浮装置，其特征在于，所述主电极对中的上电极接负电高压放大器，下电极接地；所述侧电极对中，相邻侧电极分别接高压放大器，对称电极接地。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的静电悬浮装置，其特征在于，所述腔体的窗口形成有凹槽，所述凹槽内设有橡胶圈及玻璃片。