CN106910535B - 一种注入式微球充气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注入式微球充气系统，所述的充气系统含有三视镜高压充气室、三维移动样品台、点胶系统、长工作距离成像系统、真空和充气系统。高压充气室作为微球充气的容器，两个视窗观察孔分别用于两个方向上的长工作距离成像系统显微观察微球和定位微孔，三维移动样品台充当机械手的作用，通过控制三维移动样品台的移动使点胶系统的针尖定位在微孔位置，并能进行粘胶和封孔操作，真空和充气系统能够实现对充气室抽真空、充气和排气操作。本发明能够实现对金属靶丸、玻璃靶丸充大分子气体的充气，通过冷冻胶封孔的微球保气性能良好（保气半寿命较长），充气成功率较高，胶斑较小，充气后微球不易破裂。

Description

一种注入式微球充气系统

技术领域

本发明属于微球充气领域，具体涉及一种注入式微球充气系统。

背景技术

激光惯性约束聚变（ICF）实验中需要将靶丸内充入高压燃料气体，向靶丸内加载气态燃料一般称为充气。靶丸充气主要有四种方法，即热扩散充气、制球原位充气、注入法充气和充气管充气。热扩散充气是靶丸高压充气最普遍采用的充气方法。名称为“一种高温高压空心微球充气系统”的中国发明专利（专利号为201410329819.2）采用的就是热扩散充气方法的微球充气系统。热扩散法充气取决于微球材料的渗透系数，与充气温度、压力和所充气体种类密切相关。在热扩散充气时为了更有效的将气体充入球内，提高微球充气压力和温度是两种行之有效的重要手段。由于充气室材料和厚度的限制热扩散法充气时实际上能够采用的最高压力和温度是有限的，目前能做到的高压室最大工作压力为120MPa，此时最高工作温度不超过400℃。高温室最高工作温度900℃，此时最大工作压力不超过10MPa。例如玻璃微球在目前的状态下，只能实现小分子气体如氢、氘气的充气，对于其他稍大一些的分子气体如较常用的氩气却充不能有效的充入球内；再例如金属球通常阻气性能较好，金属微球即使充小分子气体如氢、氘气的充气也很难通过热扩散法实现。因而对于材料阻气性能一般的微球(如玻璃微球)充大分子气体的情况和材料本身阻气性能较好的微球(如金属微球)的充气的情况，均不适合采用热扩散法充气。

发明内容

本发明目的是提供一种注入式微球充气系统，能够实现对金属靶丸、玻璃靶丸充大分子气体的充气。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种注入式微球充气系统，其特点是：所述的微球充气系统包括三视镜高压充气室、点胶系统、长工作距离成像系统、真空和充气系统。所述的三视镜高压充气室含有前圆形密封盖板、后圆形密封盖板、圆柱形筒状体的充气室体。所述的点胶系统含有支撑板、三维移动样品台、支撑杆和点胶杆构件，点胶杆构件由点胶杆固定头和点胶杆两部分构成。所述的长工作距离成像系统含有水平方向长工作距离显微镜、水平方向CCD、计算机A，以及45度方向长工作距离显微镜、45度方向CCD、计算机B。所述的真空和充气系统含有压力传感器、无油真空泵、气瓶、排气阀、充气阀、抽真空阀、超压爆破安全阀。

其连接关系是，所述的三视镜高压充气室的充气室体前、后端面分别固定连接有前圆形密封盖板、后圆形密封盖板，在前圆形密封盖板中心设置有前观察窗，在前圆形密封盖板外圆周上设置有数个均布的通孔。前观察窗由石英玻璃和紧固盖构成，石英玻璃的一面设有垫圈A，另一面与紧固盖接触设置，紧固盖在与石英玻璃的接触面上设置有固定卡槽，垫圈B置于固定卡槽内，紧固盖的外螺纹与前圆形密封盖板上设置的内螺纹孔的内螺纹相匹配，紧固盖拧进前圆形密封盖板的内螺纹孔压紧石英玻璃。紧固盖内设置的有机玻璃通过嵌入环固定压紧。所述的前圆形密封盖板设置有凸出的锥形密封面，凸出的锥形密封面与充气室体上的凹进的锥形密封面匹配设置。

所述的三视镜高压充气室的充气室体前端面设置有一端固定另一端伸出的螺杆，螺杆伸出部分穿过设置在前圆形密封盖板的通孔通过螺母压紧密封在充气室体前端面上。

所述的三视镜高压充气室的一侧沿水平方向轴向设置有水平方向视窗，另一侧沿水平轴向逆时针方向旋转45度的直径方向设置45度方向视窗。支撑板上设置有三维移动样品台、支撑杆和点胶杆构件。三维移动样品台是由三个精密步进电机和相应的精密传动机械机构组成，由控制计算机准确控制三个精密步进电机的转动量，通过精密传动机械机构转换为控制三维移动样品台 X、Y、Z三个方向的位移，定位偏差小于或等于2微米。三维移动样品台上设置有样品玻璃片，三维移动样品台与样品玻璃片之间设置有LED灯，样品玻璃片上贴有静电膜，静电膜上放置打孔微球。由于静电膜与微球之间的静电作用，微球比直接放在玻璃片上更不容易滚动。这样激光打孔后的孔的位置就不会移动。便于封胶时对打孔位置的准确定位和点胶操作。支撑杆与支撑板固定连接，支撑杆的横梁上设置的可嵌入缺口，与点胶杆固定头上的卡口匹配，点胶杆固定头通过卡口固定在支撑杆的横梁上。点胶杆固定头的底面设有一内孔，点胶杆的上端插入内孔通过螺钉固定，点胶杆下端为做成很细的粘丝杆、粘丝杆与细丝粘接。

三视镜高压充气室的充气室体的圆心轴处于水平方向上，三视镜高压充气室的水平方向视窗设置有水平方向长工作距离显微镜，通过水平方向CCD连接到计算机A，由水平方向CCD配置的观测软件，在计算机A显示器上显示左水平方向显微画面。三视镜高压充气室的45度方向视窗设置有45度方向长工作距离显微镜，通过45度方向CCD连接到计算机B，由45度方向CCD配置的观测软件，在计算机B显示器上显示其右45度显微画面。

三视镜高压充气室的顶部设置有气路连接口，三视镜高压充气室通过气路连接口分别与真空和充气系统的五个支路相连，第一个支路通过抽真空阀连接到无油真空泵；第二个支路通过充气阀连接到充气所用气体的气瓶；第三个支路通过排气阀与大气相通；第四个支路连接一个压力传感器；第五个支路连接一个超压爆破安全阀。其作用分别为第一个支路用于对充气室抽真空；第二个支路用于充气室的充气；第三个支路用于充气室的泄压放气；第四个支路用于充气室的压力测量和显示；第四个支路用于充气室超过最高安全压力时的爆破性保护排放泄压。

所述的注入式微球充气系统首先需要将充气的微球预先打上微孔，充气的微球的打孔直径通常为10-20mm，将放有打孔微球的样品玻璃片放入充气室，抽真空后对充气室充气，气体通过微孔进入球内，待气压平衡后通过充气室内的点胶装置充当机械手的作用点胶将微孔封堵，点胶所用的细丝采用钨丝或碳丝，其直径为5-10mm。等待胶完全固化后，充气室再放气取出微球，这样微球内的气体得以保存在球内。采用本发明对于所选用的密封胶是有要求的，首先密封胶必须具有一定阻气能力，要求对所充气体的渗透率尽量的小，另外封胶工艺对胶的粘稠度、固化时间、干燥方式以及和与微球材料之间的粘接强度等均提出了要求。

胶的粘稠度决定了封孔的可行和可靠性，要求在充气环境下点胶采用的钨丝或碳丝通过缓慢伸入胶内（或加以适当移动），再快速提起后能挂住合适大小的胶量，通常为50—100mm的胶球量为最佳。实验中采用了冷冻胶，胶的粘稠度可以通过控制抽真空的时间来改变，刚配好的胶通常经30-60分钟的抽真空时间就可以达到封孔需要的粘稠度。另外刚开封使用后剩余的胶经一到两天的冷冻存放（时间太长胶彻底固化，不能再用），再次使用时，正常的抽真空时间后就能满足封孔的粘稠度。

由于点胶后的微球的保气主要是靠胶以及粘接的密封性和强度来保证的，因而不仅要求胶本身对所充气体的气体渗透要尽可能小，同时粘接的密封性要好，粘接的强度要高，以保证能够承受较高的内外气压差，而不使粘接点破裂和漏气。

本发明实现了对金属靶丸、玻璃靶丸充大分子气体的充气，通过冷冻胶封孔的微球保气性能良好（保气半寿命较长），充气成功率较高，胶斑较小，充气后微球不易破裂。

附图说明

图1为本发明的注入式微球充气系统的整体布局示意图；

图2为图1中的三视镜高压充气室内的局部放大图，具体为图1中B框内结构示意图。

图3为本发明中的三视镜高压充气室外观结构示意图；

图4为本发明中的三视镜高压充气室的结构示意图；

图5为图4中的局部放大图，具体为图4中A框内的结构示意图；

图中：1.水平方向CCD 2.水平方向长工作距离显微镜 3.水平方向视窗 4.45度方向视窗 5.45度方向长工作距离显微镜 6.45度方向CCD 7.点胶杆固定头 8.点胶杆 8-1.粘丝杆 9.细丝（钨丝或碳丝） 10.打孔微球 11.静电膜 12.样品玻璃片13.LED灯 14.三维移动样品台 15.支撑杆 16.计算机A 17.计算机B 18.压力传感器19.排气阀 20.充气阀 21.抽真空阀 22.无油真空泵 23.气瓶 24.超压爆破安全阀25.三视镜高压充气室 26.支撑板 27.前密封盖板 28.通孔 29.前观察视窗 30.螺杆 31.螺母 32.凹进的锥形密封面 33.凸出的锥形密封面 34.垫圈A 35.石英玻璃36.有机玻璃 37.垫圈B 38. 嵌入环 39.紧固盖 40.气路连接口。

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行具体描述：

实施例1

图1为本发明的注入式微球充气系统的整体布局示意图；图2为图1中的三视镜高压充气室内的局部放大图，具体为图1中B框内结构示意图；图3为本发明中的三视镜高压充气室外观结构示意图；图4为本发明中的三视镜高压充气室的结构示意图；图5为图4中的局部放大图，具体为图4中A框内的结构示意图。在图1-图5中，本发明的一种注入式微球充气系统包括三视镜高压充气室25、点胶系统、长工作距离成像系统、真空和充气系统。所述的三视镜高压充气室25含有前圆形密封盖板27、后圆形密封盖板、圆柱形筒状体的充气室体；所述的点胶系统含有支撑板26、三维移动样品台14、支撑杆15和点胶杆构件，点胶杆构件由点胶杆固定头7和点胶杆8两部分构成；所述的长工作距离成像系统含有水平方向长工作距离显微镜2、水平方向CCD1、计算机A16，以及45度方向长工作距离显微镜5、45度方向CCD6、计算机B17；所述的真空和充气系统含有压力传感器18、无油真空泵22、气瓶23、排气阀19、充气阀20、抽真空阀21、超压爆破安全阀24。

所述的三视镜高压充气室25的充气室体前、后端面分别固定连接有前圆形密封盖板27、后圆形密封盖板，在前圆形密封盖板27中心设置有前观察窗29，在前圆形密封盖板27外圆周上设置有数个均布的通孔28。前观察窗29由石英玻璃35和紧固盖39构成，石英玻璃35的一面设有垫圈A34，另一面与紧固盖39接触设置，紧固盖39在与石英玻璃35的接触面上设置有固定卡槽，垫圈B37置于固定卡槽内，紧固盖39的外螺纹与前圆形密封盖板27上设置的内螺纹孔的内螺纹相匹配，紧固盖39拧进前圆形密封盖板27的内螺纹孔压紧石英玻璃35。紧固盖39内部设置的有机玻璃36通过嵌入环38固定压紧，如图3、图4所示。

所述的前圆形密封盖板27设置有凸出的锥形密封面33，凸出的锥形密封面33与充气室体上的凹进的锥形密封面32匹配设置，如图5所示。

三视镜高压充气室25的充气室体前端面设置有一端固定另一端伸出的螺杆30，螺杆30伸出部分穿过设置在前圆形密封盖板27的通孔28通过螺母31压紧密封在充气室体前端面上。

所述的三视镜高压充气室25的一侧沿水平方向轴向设置有水平方向视窗3，另一侧沿水平轴向逆时针方向旋转45度的直径方向设置45度方向视窗4。

所述的支撑板26上设置有三维移动样品台14、支撑杆15和点胶杆构件；三维移动样品台14上设置有样品玻璃片12，三维移动样品台14与样品玻璃片12之间设置有LED灯13，样品玻璃片12上贴有静电膜11，静电膜11上面放置打孔微球10。支撑杆15与支撑板26固定连接，支撑杆15的横梁上设置的可嵌入缺口，与点胶杆固定头7上的卡口匹配，点胶杆固定头7通过卡口固定在支撑杆15的横梁上。点胶杆固定头7的底面设有一内孔，点胶杆8的上端插入内孔通过螺钉固定，点胶杆8下端为做成很细的粘丝杆8-1、粘丝杆8-1与细丝9粘接，如图2所示。

三视镜高压充气室25的充气室体的圆心轴处于水平方向上，三视镜高压充气室25的水平方向视窗3设置有水平方向长工作距离显微镜2，通过水平方向CCD1连接到计算机A16，由水平方向CCD1配置的观测软件，在计算机A16显示器上显示左水平方向显微画面；三视镜高压充气室25的45度方向视窗4设置有45度方向长工作距离显微镜5，通过45度方向CCD6连接到计算机B17，由45度方向CCD6配置的观测软件，在计算机B17显示器上显示其右45度显微画面，如图1所示。

三视镜高压充气室25的顶部设置有气路连接口40，通过气路连接口40分别与真空和充气系统的五个支路相连，第一个支路通过抽真空阀21连接到无油真空泵22；第二个支路通过充气阀20连接到充气所用气体的气瓶23；第三个支路通过排气阀19与大气相通；第四个支路连接一个压力传感器18；第五个支路连接一个超压爆破安全阀24，如图1所示。

本实施例中，本发明的点胶式注入法微球充气系统工作时，按照以下步骤进行操作：

（1）打孔微球样品的准备

（2）点胶棒的准备

（3）针尖的预调整

（3）待充气微球微孔的预调整

（5）配胶和放胶、放胶孔的位置的预调整、针尖挂胶实验

（6）抽真空、充气并平衡

（7）微孔封胶

（8）胶固化，球内气体检测。

Claims (5)

1.一种注入式微球充气系统，其特征在于：所述的微球充气系统包括三视镜高压充气室（25）、点胶系统、长工作距离成像系统、真空和充气系统；所述的三视镜高压充气室（25）含有前圆形密封盖板（27）、后圆形密封盖板、圆柱形筒状体的充气室体；所述的点胶系统含有支撑板（26）、三维移动样品台（14）、支撑杆（15）和点胶杆构件，点胶杆构件由点胶杆固定头（7）和点胶杆（8）两部分构成；所述的长工作距离成像系统含有水平方向长工作距离显微镜（2）、水平方向CCD（1）、计算机A（16），以及45度方向长工作距离显微镜（5）、45度方向CCD（6）、计算机B（17）；所述的真空和充气系统含有压力传感器（18）、无油真空泵（22）、气瓶（23）、排气阀（19）、充气阀（20）、抽真空阀（21）和超压爆破安全阀（24）；

上述微球充气系统的连接关系是，所述的三视镜高压充气室（25）的充气室体前、后端面分别固定连接有前圆形密封盖板（27）、后圆形密封盖板，在前圆形密封盖板（27）中心设置有前观察视窗（29），在前圆形密封盖板（27）外圆周上设置有数个均布的通孔（28）；前观察视窗（29）由石英玻璃（35）和紧固盖（39）构成，石英玻璃（35）的一面设有垫圈A（34），另一面与紧固盖（39）接触设置，紧固盖（39）在与石英玻璃（35）的接触面上设置有固定卡槽，垫圈B（37）置于固定卡槽内，紧固盖（39）的外螺纹与前圆形密封盖板（27）上的内螺纹孔的内螺纹相匹配，紧固盖（39）拧进前圆形密封盖板（27）的内螺纹孔压紧石英玻璃（35）；紧固盖（39）内设置的有机玻璃（36）通过嵌入环（38）固定压紧；所述的前圆形密封盖板（27）设置有凸出的锥形密封面（33），凸出的锥形密封面（33）与充气室体上的凹进的锥形密封面（32）匹配设置；所述的三视镜高压充气室（25）的充气室体前端面设置有一端固定另一端伸出的螺杆（30），螺杆（30）伸出部分穿过通孔（28）通过螺母（31）压紧密封在充气室体前端面上；

所述的三视镜高压充气室（25）的一侧沿水平方向轴向设置有水平方向视窗（3），另一侧沿水平轴向逆时针方向旋转45度的直径方向设置45度方向视窗（4）；

所述的支撑板（26）上设置有三维移动样品台（14）、支撑杆（15）和点胶杆构件；三维移动样品台（14）上设置有样品玻璃片（12），三维移动样品台（14）与样品玻璃片（12）之间设置有LED灯（13），样品玻璃片（12）上贴有静电膜（11），静电膜（11）上面放置打孔微球（10）；支撑杆（15）与支撑板（26）固定连接，点胶杆固定头（7）固定在支撑杆（15）的横梁上；点胶杆固定头（7）的底面设开有一内孔，点胶杆（8）的上端插入内孔通过螺钉固定，点胶杆（8）下端的粘丝杆（8-1）与细丝（9）粘接；

所述的三视镜高压充气室（25）的充气室体的圆心轴处于水平方向上，三视镜高压充气室（25）的水平方向视窗（3）设置有水平方向长工作距离显微镜（2），水平方向长工作距离显微镜（2）通过水平方向CCD（1）连接到计算机A（16）；三视镜高压充气室（25）的45度方向视窗（4）设置有45度方向长工作距离显微镜（5），45度方向长工作距离显微镜（5）通过45度方向CCD（6）连接到计算机B（17）。

2.根据权利要求1所述的注入式微球充气系统，其特征在于：所述的三视镜高压充气室（25）的顶部设置有气路连接口（40），三视镜高压充气室（25）通过气路连接口（40）与真空和充气系统的五个支路相连，第一个支路通过抽真空阀（21）连接到无油真空泵（22）；第二个支路通过充气阀（20）连接到充气所用气体的气瓶（23）；第三个支路通过排气阀（19）与大气相通；第四个支路连接一个压力传感器（18）；第五个支路连接一个超压爆破安全阀（24）。

3.根据权利要求1所述的注入式微球充气系统，其特征在于：所述的后圆形密封盖板与前圆形密封盖板（27）结构相同。

4.根据权利要求1所述的注入式微球充气系统，其特征在于：所述的水平方向视窗（3）和45度方向视窗（4）的结构均与前观察视窗（29）结构相同。

5.根据权利要求1所述的注入式微球充气系统，其特征在于：所述的细丝（9）的直径小于粘丝杆（8-1）的直径。