CN108717070A - 一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置及使用方法，第一个步进马达通过金属杆与样品盘相连接，样品传输杆与第二个步进马达相连接，使样品传输杆沿着竖直方向移动；工艺步骤：封闭腔体，抽取真空，目标样品从样品盘的初始位置传输到悬浮起始位置；目标样品的静电悬浮实验完毕后，对目标样品进行回收；本发明通过合理设计机械传输机构和控制流程，提供一种具有多工位的样品传输装置和方法，实现多个样品在封闭腔体内的传送与回收。具有可处理样品数量多、处理顺序灵活、处理流程对真空度无影响、适应性广等特点。

Description

一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置及使用方法

技术领域

本发明属于新型材料制备、静电悬浮技术领域，涉及一种材料传输与回收的方法，尤其涉及一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置及使用方法。

背景技术

静电悬浮无容器处理技术因为悬浮和加热可独立控制，避免了电磁搅拌、超声空化和气流扰动引起的悬浮液态内部强迫对流对材料性质特征的影响，从而应用于多个前沿领域。如高熔点难熔金属和合金的宽广温度范围的热物性测量、单晶生长，进一步，结合外接的探测设备(高速摄影机、光电二极管、中子散射和同步辐射实验等)，对高温液态或者深过冷状态的液态金属结构的进行原位分析和观测。

在实验过程中，实验样品均悬浮于上下电极构成的电容器之间，外部引入激光对其进行加热熔化，实现地面条件下的无容器处理实验。随着压强增加，电极之间的击穿电压与压强之间存在先减小再增大的趋势且在大气压附近达到极小值，而静电悬浮实验须首先保证上下电极间形成稳定的高强度电场。所以，为了实现样品的稳定悬浮，人们可在高真空或者高压强环境来获取强电场，以此提高静电悬浮系统的悬浮性能。对于高真空的静电悬浮实验设备，目前是通过多级串联的真空泵进行联合作业，使腔体达到目标的高真空度，典型真空度区间为10^-3～10^-9Pa。对于尺寸较大的实验腔体(如腔体内径500mm)，为了达到这样的要求，获取真空环节耗时普遍在三十分钟到数小时之间。容易看出，“一次真空，一次样品操作，一次悬浮实验”的实验流程严重影响了实验效率并阻碍了相关研究的进展。

为了提高静电悬浮实验设备的工作效率，并同时维持腔体良好的真空度，人们采取了多种不同的举措改进实验各个环节。“一次真空，多次悬浮实验”的实验思想成为主要改进方向，研究者通过在腔体中内置样品传送装置实现多个样品的操作。样品传送装置是静电悬浮系统的重要组成部分，它主要任务包括传送目标样品从样品盘至悬浮起始点，在实验结束时从悬浮空间回收样品至样品盘并进行下一个实验环节。目前，样品传送装置有多个实现途径：马歇尔太空飞行中心(MSFC)的静电悬浮实验室在文献M.P.SanSoucie,J.R.Rogers,D.M.Matson,Rapid Quench in an Electrostatic Levitator,TMS 2016145th Annual Meeting&Exhibition:Supplemental Proceedings,SpringerInternational Publishing,Cham,2016,pp.31-34.中描述了一种样品操作装置，该装置主要由一个金属盘、旋转机构和传送杆组成，金属盘分布了8对样品槽和快淬槽。进行悬浮实验前，旋转金属盘使某个盛放样品的槽位于电极正下方，传送杆从槽底部托住样品，传送至目标位置。该样品操作机构同时具有样品输送和快淬功能，但导致样品的工位很少(仅8个)且没有关于样品回收程序的报告，其拓展性较差；文献P.-F.Paradis,T.Ishikawa,G.-W.Lee,D.Holland-Moritz,J.Brillo,W.-K.Rhim,J.T.Okada，Materials propertiesmeasurements and particle beam interactions studies using electrostaticlevitation，Materials Science and Engineering:R:Reports 76(2014)1-53描述了日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)采用的一种“弹夹式”样品传送装置，样品置于内径固定的竖直管之中，十个竖直放置的管筒排列在一起形成可整体滑动的弹夹。首先把目标样品筒滑移至轴心位置，样品操作杆逐渐升高实现对目标样品的传送操作，一个较大的漏斗状斜面用于收集悬浮失败的样品。由于采用金属钼或钨作为支杆与样品表面接触，该装置对样品污染极少并且容易实现软物质、多孔材料的操作。但是，容纳样品的管筒内径固定不变，该装置更胜任亚毫米级材料的操作，而无法对直径较大的样品进行处理；不同于上述旋转盘式和弹夹式样品操作装置，韩国标准科学研究院(KRISS)设计了水平放置的转筒状样品传送机构，见文献W.L.Geun,J.Sangho,H.K.Dong,Sample loading apparatus forelectrostatic levitation apparatus，has sample depositary for storing samples,where sample cup unit is equipped in sample cask and sample standby unit isequipped in sample depositary，Korea Res Inst Standards&Sci，与样品托盘采取了与杆分离的设计思路，这样针对不同类型的样品可更换具有不同接触面托盘。该装置同样具有一个锥形斜面用于回收样品。其样品仓结构较为复杂，由3部分内外嵌套的套筒构成。所以，样品须依位置先后秩序进行传送处理，其操作形式固化，灵活度较低。中国科学院上海硅酸盐研究所同样进行了静电悬浮技术方面的研究，针对腔体内样品传输问题，给出的解决方案，见文献：余建定,毛召召,段蛟,郑效杰,刘岩,一种高温熔融材料的静电悬浮装置。技术方案如下：悬浮主腔体的上盖板预留一个窗口，安装带有2个阀门的竖直导管穿过该窗口，样品放置于导管中，在重力作用下通过弯曲的管道传输至上电极中央，再由顶杆承接移至悬浮位置。此进样装置便捷，可分段式传输样品，其不足之处在于影响真空度且样品工位少。

综上所述，目前的样品传输技术手段虽然初步实现了“一次真空，多次悬浮实验”的设计目标，但这些装置具有各种各样的局限性。如样品工位较少、操作程序影响真空度、所处理的样品尺寸较小(小于3mm)或者装置结构复杂导致灵活度低。为了能够进一步提高静电悬浮实验的工作效率，改进装置灵活性并扩展其使用范围，对样品操作装置和操作方法进行重新设计是十分必要的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置及使用方法，解决提高静电悬浮实验的工作效率，克服当前样品传送方案中出现的装置结构复杂、样品工位少、适应性窄及影响真空度等问题。通过合理设计机械传输机构和控制流程，提供一种具有多工位的样品传输装置和方法，实现多个样品在封闭腔体内的传送与回收。

技术方案

一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置，其特征在于包括样品杯1、样品盘5、传输杆6、金属杆7、第一步进马达8和第二步进马达9；样品盘5通过金属杆7与第一步进马达8连接，使得样品盘5实现沿轴心的旋转运动；传输杆6与第二步进马达9连接，使得传输杆6实现沿竖直方向移动；所述样品盘5的圆周上设有多m个上大下小的台阶状通孔的样品工位，样品杯1置于样品工位上，其外形具有与样品工位相吻合的台阶状结构，上端中心设有内凹斜面结构，斜面中心设有通孔，通孔延伸至下端经过锥形结构连接圆孔15，圆孔的尺寸与传输杆6顶端相吻合；当传输杆6在样品盘5下方，插入样品杯1下端的圆孔后，在第二步进马达9的带动下，驱使传输杆6沿竖直方向向上移动，将样品杯1脱离样品盘5通过环状下电极2进入加工区域，实现对样品杯1上的目标样品加工；当加工任务完成后，在第二步进马达9的带动下，驱使传输杆6沿竖直方向向下移动，将样品杯1置于样品盘5的样品工位上；所述第一步进马达8的旋转角度为360°/m。

所述样品杯底部连接圆孔15的直径大于样品传输杆6的直径，直径差为0.9～1.1mm。

所述样品杯1与样品传输杆6的配合误差限为0.2～0.5mm。

所述第一步进马达8的误差限为±0.5°。

所述第二步进马达9的控制精度为0.2～0.5mm。

所述m＝5～50。

一种采用所述用于静电悬浮的多工位送样回收装置进行样品传输的操作，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据实验需求，把一批待处理实验样品放置于样品盘的样品工位；首先调节第二步进马达9，使样品传输杆6的顶端位于样品盘5的底部之下；根据待处理的样品数量，在样品盘中选择相应数量的工位，把多个样品杯1依次放入各工位中，然后将样品10分别放在上述样品杯的顶部斜面；

步骤2：目标样品从样品盘的初始位置传输到悬浮起始位置：

关闭腔体阀门，进行真空抽取工作。当主腔体的真空度达到实验要求时，停止真空抽取；

选择样品盘5上的一个样品为目标样品，通过第一步进马达8控制样品盘5旋转，其旋转角速度为0.01～0.2rad/s，使目标样品10所在样品工位旋转至样品传输杆的正上方；

通过调节第二步进马达9，使得样品传输杆逐渐上升，其升降速度为1～20mm/s；传输杆6的杆顶插入样品杯底部，托着样品杯1及目标样品10一起上升；

进一步调节第二步进马达9，使样品杯1继续上升，穿过电极部件的空心环，最终使样品杯1的顶面与环状下电极的顶面保持在同一平面内；

步骤3：目标样品的回收

目标样品顺利送抵悬浮起始位置，进行相关的静电悬浮实验；当实验结束时，样品10在静电场与重力的综合作用下，依然落在环状下电极中心处的样品杯上；

调节第二步进马达8，使样品传输杆6、样品杯1和目标样品10一起下降，当样品传输杆6的杆顶降至样品盘5的样品工位之下时，托着目标样品的样品杯1顺利回收至原工位；

进行下一个样品传输与回收工作，重复上述步骤2～3，直到所有样品处理完成。

有益效果

本发明提出的一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置及使用方法，第一个步进马达通过金属杆与样品盘相连接，样品传输杆与第二个步进马达相连接，使样品传输杆沿着竖直方向移动；工艺步骤：封闭腔体，抽取真空，目标样品从样品盘的初始位置传输到悬浮起始位置；目标样品的静电悬浮实验完毕后，对目标样品进行回收；本发明通过合理设计机械传输机构和控制流程，提供一种具有多工位的样品传输装置和方法，实现多个样品在封闭腔体内的传送与回收。具有可处理样品数量多、处理顺序灵活、处理流程对真空度无影响、适应性广等特点。

附图说明

图1为本发明的一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置原理与结构示意图。

图中，1为样品杯，2为环状下电极，3为电极部件，4为样品工位，5为样品盘，6为样品传输杆，7为样品盘金属杆，8为第一步进马达，9为第二步进马达。

图2为样品杯和样品传输杆的顶端局部

图中，10为样品，11为样品杯的顶部斜面，12为样品杯上侧面，13为样品杯的空心轴，14为样品杯下侧面，15为样品杯的空孔

图3为样品盘的截面局部，展示了一个样品工位的截面轮廓

图中，16为样品工位的上部，17为样品工位的下部。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例中：m＝36，

用于静电悬浮的多工位送样回收装置的36个样品杯1、样品盘5、传输杆6、金属杆7、第一步进马达8和第二步进马达9；样品盘5通过金属杆7与第一步进马达8连接，使得样品盘5实现沿轴心的旋转运动；传输杆6与第二步进马达9连接，使得传输杆6实现沿竖直方向移动；所述样品盘5的圆周上设有36个上大下小的台阶状通孔的样品工位，36个样品杯1置于样品工位上，其外形具有与样品工位相吻合的台阶状结构，上端中心设有内凹斜面结构，斜面中心设有通孔，通孔延伸至下端经过锥形结构连接圆孔15，圆孔的尺寸与传输杆6顶端相吻合；当传输杆6在样品盘5下方，插入样品杯1下端的圆孔后，在第二步进马达9的带动下，驱使传输杆6沿竖直方向向上移动，将样品杯1脱离样品盘5通过环状下电极2进入加工区域，实现对样品杯1上的目标样品加工；当加工任务完成后，在第二步进马达9的带动下，驱使传输杆6沿竖直方向向下移动，将样品杯1置于样品盘5的样品工位上；所述第一步进马达8的旋转角度为10°。

所述样品杯底部连接圆孔15的直径大于样品传输杆6的直径，直径差为0.9～1.1mm。

所述样品杯1与样品传输杆6的配合误差限为0.2～0.5mm。

所述第一步进马达8的误差限为±0.5°。

所述第二步进马达9的控制精度为0.2～0.5mm。

通过本发明的传送机构，对一批数量为36、直径5mm的样品进行输送。

步骤1：首先调节第二步进马达9，使其样品传输杆6的顶端位于样品盘5之下。样品盘为36个工位，把36个样品杯依次放入其中，然后将上述36个样品依次放置在样品杯之上。

步骤2：关闭腔体阀门，进行真空抽取工作。当主腔体时的真空度达到该实验的真空度要求时，停止真空抽取。选择某一样品为目标样品，通过调节第一步进马达8以控制样品盘5，使该样品所在样品工位旋转至样品传输杆6的正上方。通过调节第二步进马达9，使得样品传输杆6逐渐上升，样品传输杆6的杆顶插入样品杯底部，金属杆进一步地穿过目标样品的工位，托着样品杯1、目标样品10一起上升。进一步调节第二步进马达9，使样品杯1继续上升，并穿过下电极的空心圆环。最终使样品杯1的顶面与下电极的顶面保持在同一平面内。

步骤3：进行相关的静电悬浮实验后，样品在静电场与重力的综合作用下，依然落在下电极中心处的样品杯上。通过调节第二步进马达9，使传输杆6、样品杯1和目标样品10下降，当样品传输杆6的杆顶降至样品工位的位置以下时，样品杯1同时嵌入该样品工位，目标样品顺利回收至原工位。

步骤4：进行下一个样品传输与回收。选定第二个目标样品，并重复上述步骤2～3，直到36个样品完成悬浮实验。

Claims (7)

1.一种用于静电悬浮的多工位送样回收装置，其特征在于包括样品杯(1)、样品盘(5、传输杆(6)、金属杆(7)、第一步进马达(8)和第二步进马达(9)；样品盘(5通过金属杆(7)与第一步进马达(8连接，使得样品盘(5)实现沿轴心的旋转运动；传输杆(6)与第二步进马达(9)连接，使得传输杆(6)实现沿竖直方向移动；所述样品盘(5)的圆周上设有多m个上大下小的台阶状通孔的样品工位，样品杯(1)置于样品工位上，其外形具有与样品工位相吻合的台阶状结构，上端中心设有内凹斜面结构，斜面中心设有通孔，通孔延伸至下端经过锥形结构连接圆孔(15)，圆孔的尺寸与传输杆(6)顶端相吻合；当传输杆(6)在样品盘(5)下方，插入样品杯(1)下端的圆孔后，在第二步进马达(9)的带动下，驱使传输杆(6)沿竖直方向向上移动，将样品杯(1)脱离样品盘(5)通过环状下电极(2)进入加工区域，实现对样品杯(1)上的目标样品加工；当加工任务完成后，在第二步进马达(9)的带动下，驱使传输杆(6)沿竖直方向向下移动，将样品杯(1)置于样品盘(5)的样品工位上；所述第一步进马达(8)的旋转角度为360°/m。

2.根据权利要求1所述的用于静电悬浮的多工位送样回收装置，其特征在于：所述样品杯底部连接圆孔(15)的直径大于样品传输杆(6)的直径，直径差为0.9～1.1mm。

3.根据权利要求1所述的用于静电悬浮的多工位送样回收装置，其特征在于：所述样品杯(1)与样品传输杆(6)的配合误差限为0.2～0.5mm。

4.根据权利要求1所述的用于静电悬浮的多工位送样回收装置，其特征在于：所述第一步进马达(8)的误差限为±0.5°。

5.根据权利要求1所述的用于静电悬浮的多工位送样回收装置，其特征在于：所述第二步进马达(9)的控制精度为0.2～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的用于静电悬浮的多工位送样回收装置，其特征在于：所述m＝5～50。

7.一种采用权利要求1～6所述任一项用于静电悬浮的多工位送样回收装置进行样品传输的操作，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据实验需求，把一批待处理实验样品放置于样品盘的样品工位；首先调节第二步进马达(9)，使样品传输杆(6)的顶端位于样品盘(5)的底部之下；根据待处理的样品数量，在样品盘中选择相应数量的工位，把多个样品杯(1)依次放入各工位中，然后将样品(10)分别放在上述样品杯的顶部斜面；

步骤2：目标样品从样品盘的初始位置传输到悬浮起始位置：

关闭腔体阀门，进行真空抽取工作。当主腔体的真空度达到实验要求时，停止真空抽取；

选择样品盘(5)上的一个样品为目标样品，通过第一步进马达(8)控制样品盘(5)旋转，其旋转角速度为0.01～0.2rad/s，使目标样品(10)所在样品工位旋转至样品传输杆的正上方；

通过调节第二步进马达(9)，使得样品传输杆逐渐上升，其升降速度为1～20mm/s；传输杆(6)的杆顶插入样品杯底部，托着样品杯(1)及目标样品(10)一起上升；

进一步调节第二步进马达(9)，使样品杯(1)继续上升，穿过电极部件的空心环，最终使样品杯(1)的顶面与环状下电极的顶面保持在同一平面内；

步骤3：目标样品的回收

目标样品顺利送抵悬浮起始位置，进行相关的静电悬浮实验；当实验结束时，样品(10)在静电场与重力的综合作用下，依然落在环状下电极中心处的样品杯上；

调节第二步进马达(8)，使样品传输杆(6)、样品杯(1)和目标样品(10)一起下降，当样品传输杆(6)的杆顶降至样品盘(5)的样品工位之下时，托着目标样品的样品杯1顺利回收至原工位；

进行下一个样品传输与回收工作，重复上述步骤2～3，直到所有样品处理完成。