CN113970534A - 基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔及应用方法，包括球形腔体，在球形腔体外分布有若干个真空波纹管，所述真空波纹管与球形腔体固定并连通，所述球形腔体的表面开设有若干个观察窗，在所述球形腔体上还设有真空阀，所述真空阀与球形腔体固定并连通。本发明通过采用真空腔对毒害材料进行装载，在取得理想实验效果的同时，保护了激光装置。

Description

基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔及应用方法

技术领域

本发明涉及毒害材料原位诊断实验领域，具体是基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔及应用方法。

背景技术

大型激光装置通过大功率密度的激光束加载，能够为材料研究提供超高温度（10⁶ K）超高压力（10¹² Pa）和超高应变率(10¹¹ s^-1)等极端环境，为研究极端条件下的材料物性和动力学特性提供了实验平台。

利用这样的极端环境研究毒害材料的特性能够加深研究人员对毒害材料的认识，甚至可以发掘出毒害材料的隐藏特性。

然而，某些毒害材料的实验会污染这些大型装置，甚至会造成环境污染。所以，一直以来，研究人员无法在大型激光装置上对这些有研究价值的毒害材料进行研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在采用激光装置为毒害材料提供实验环境的时候不能避免激光装置受到污染的不足，提供了一种基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔及应用方法，通过采用真空腔对毒害材料进行装载，在创造了毒害材料原位诊断实验环境的基础上，保护了激光装置，从而避免毒害材料在实验中扩散并污染激光装置。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔，包括球形腔体，在球形腔体外分布有若干个真空波纹管，所述真空波纹管的一端与球形腔体固定并连通，所述真空波纹管另一端通过真空法兰固定安装光学窗口，所述球形腔体的表面开设有若干个观察窗，在所述球形腔体上还设有真空阀，所述真空阀与球形腔体固定并连通。

本发明中的真空腔采用球形腔体，所述球形腔体能够更加有利于真空环境的形成和维持，本发明中采用真空波纹管作为球形腔体的延伸，能够有效的通过真空波纹管引入激光束，既能够避免激光损伤光学窗口，又能够减小真空腔的体积，方便其安装和移动，通过所述观察窗进行实验进程的观测；本发明通过球形腔体的包围限制，保护激光装置不受到所述毒害材料的污染，并且真空环境还能够避免在大功率激光的照射下发生空气电离，从而影响到实验的正常进行，通过所述真空波纹管的引导，有效的使得加载激光束于样品作用产生冲击波，从而达到毒害材料原位诊断实验的极端环境标准，同时真空波纹管的长度能够使得激光经过所述光学窗口时，激光能量密度小于光学窗口损伤阈值，避免了激光“击碎”光学窗口，破坏所述真空腔的密封效果，造成毒害材料泄露，污染激光装置的情况出现。

进一步的，所述真空腔内设有用于放置样品靶的升降式样品台，所述样品台的高度能够调节。本发明中的激光束属于大功率密度激光束，在真空腔内的样品台会通过高度的调节使得激光束能够准确的作用在样品靶上。

进一步的，所述样品台包括升降台，所述升降台的上方固定有盒体支架，所述盒体支架的上方固定有诊断盒，所述样品靶位于所述诊断盒上，在升降台与诊断盒之间设有激光瞄靶组件。由于瞄靶定位需要较为精准，这样才能达到最佳实验效果，所以本发明在升降台和诊断盒之间设置激光瞄靶组件，并通过盒体支架固定诊断盒的位置，使得激光瞄靶组件能够准确的反映样品靶的位置，即便是在真空腔内的样品靶不能有效的通过外部观测确定其位置，也能够通过激光瞄靶组件准确的调节样品靶所处高度，提高实验准确率。

进一步的，所述激光瞄靶组件包括可见光CMOS，在所述可见光CMOS的感光面设有盖子，在所述盖子外设有旋转台，所述盖子能够通过旋转台的转动打开与关闭。本发明中采用可见光CMOS来进行激光定位，而为了避免误判，在可见光CMOS上加设盖子修正激光热位移，通过盖子的打开和关闭，来消除误判，从而提高使用可见光CMOS的准确率，也是对可见光CMOS的保护。

进一步的，所述真空阀与球形腔体之间设有连接法兰，真空阀与球形腔体通过连接法兰固定，所述连接法兰、真空阀和球形腔体内部连通，所述连接法兰的侧面固定有航空法兰。

为了提高真空腔的密封性能，本发明在真空阀和球形腔体之间通过连接法兰来进行连接，并采用航空法兰进行电控信号的传输。

基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔的应用方法，包括以下步骤：

在激光装置靶室中安装真空腔，所述真空腔所占空间能够通过真空波纹管的伸缩改变，当真空腔进入激光装置靶室前能够压缩真空腔所占据的空间，当真空腔进入激光装置靶室后能够展开真空腔所占据的空间；

在真空腔内放置样品靶，并调节真空腔的位置；

调节激光束瞄准样品靶；

进行毒害材料原位诊断实验。

目前，毒害材料的研究实验通常都有多限制，这样导致目前对毒害材料的研究陷入停滞阶段，不能通过实验对毒害材料进行进一步的认识，对于毒害材料的应用也就无法加深，这对材料领域来说是极为重大的损失。需要加强对毒害材料的物性和动力学特性的研究，在大功率密度激光束下进行毒害材料原位诊断实验是获取毒害材料物性和动力学特性数据的重要来源之一。由于实验对象是毒害材料，而大型激光装置由于需要聚焦激光束，所以实验必须在靶室中进行，在进行实验的时候，毒害材料便会有极大概率污染激光装置，而这一类装置涉及到许多实验，造价昂贵，这便成为了毒害材料原位诊断实验的巨大阻碍。

在本发明中，应用所述真空腔来进行毒害材料原位诊断实验，通过在激光装置的靶室中安装真空腔的方式，达到毒害材料与所述激光装置隔离的目的，使得毒害材料不会对真空腔外的物体造成污染，并且真空腔内没有空气，能够营造更加合适的实验环境，同时也避免毒害材料通过空气扩散，本发明将通过调整真空腔位置的形式，来辅助对毒害材料的位置进行调节，使得毒害材料处于靶室内激光束聚焦的地方，从而达到对毒害材料实验提供实验环境的目的；本发明通过应用真空腔对毒害材料进行装载，避免毒害材料在实验中扩散并污染激光装置，在创造了毒害材料原位诊断实验环境的基础上，保护了激光装置。

进一步的，在安装所述真空腔时，包括以下步骤：

用短丝杆压缩所述真空波纹管到短丝杆的极限；

将所述真空腔安装到所述激光装置靶室内；

取下所述短丝杆，并安装长丝杆，将所述真空波纹管固定，所述长丝杆的长度满足：激光经过所述光学窗口时，激光能量密度小于光学窗口损伤阈值。

目前，现有技术中也有真空腔，但是现有技术中的真空腔并不能直接作用于激光装置的靶室中，不仅是作用方式的匹配会出现问题，导致并没有办法将激光束引导进入真空腔内，还存在安装不稳定的情况，因为激光装置靶室的入口较小，内部空间大于入口，所以若采用入口大小的真空腔，那么不能将使得激光束有效的射入真空腔内，若采用较大的真空腔，则不能放入靶室内；本发明通过短丝杆的压缩和长丝杆的扩张，有效的适应了靶室入口的大小，使得真空腔能够顺畅的进入靶室内，在进入靶室内后能够通过更换长丝杆的方式，拉伸所述真空波纹管，拉伸后的真空波纹管长度能够使得激光经过所述光学窗口时，激光能量密度小于光学窗口损伤阈值，避免了激光“击碎”光学窗口，破坏所述真空腔的密封效果，造成毒害材料泄露，污染激光装置的情况出现。

进一步的，所述真空腔内设有升降台7和激光瞄靶组件时，所述调节激光束瞄准样品靶的过程包括以下步骤：

将升降台升至最高，调整所述旋转台并将所述盖子打开；

通过远焦显微镜观察可见光CMOS的感光面，调节所述真空腔的位置，将可见光CMOS置于靶室中心；

调整旋转台将盖子关闭；

逐一调节背光靶激光，将焦点和打靶位置调节在激光装置靶室中心；

将升降台降至最低调节真空腔，将背光靶置于靶室中心。

本发明中，所述真空腔上设置的真空波纹管的数量是若干个，为了维持真空腔内的真空环境，激光束是从真空波纹管上的光学玻璃处射入真空腔内的，由于激光束进入真空腔后，会由于光学玻璃而发生轨迹的偏移，激光焦点会偏离靶室中心，若多束激光束不能聚集在一起，便不能构造实验所需要的实验条件，在本发明中为了使得多束激光焦点重合，设置了激光瞄靶组件，通过可见光COMS对激光焦点位置进行调节，从而调节完成多束激光的重合，所述升降台的调节能够使得在真空腔内的样品台通过高度的调节使得激光束能够准确的作用在背光靶和样品靶上。

综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）本发明通过采用真空腔对毒害材料进行装载，避免毒害材料在实验中扩散并污染激光装置，在创造了毒害材料原位诊断实验环境的基础上，保护了激光装置。

（2）本发明通过短丝杆和长丝杆的互相替换，有效的避免了大功率激光破坏所述真空腔的密封环境，也保障了真空腔在靶室的进出自由。

（3）本发明在升降台和诊断盒之间设置激光瞄靶组件，并通过盒体支架固定诊断盒的位置，使得激光瞄靶组件能够准确的反映样品靶的位置，即便是在真空腔内的样品靶不能够有效的通过外部观测确定其位置，也能够通过激光瞄靶组件准确的调节样品靶所处高度，提高实验准确率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明真空腔结构示意图；

图2为本发明升降台结构示意图；

图3为本发明实验流程示意图；

本发明附图标记所表示的是：1-球形腔体，2-航空法兰，3-连接法兰，4-真空阀，5-观察窗，6-真空波纹管，7-升降台，8-盒体支架，9-可见光CMOS，10-诊断盒，11-样品靶，12-旋转台，13-盖子。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1~图3所示，本实施例涉及一种基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔及应用方法，所述真空腔包括球形腔体1，在球形腔体1外分布有若干个真空波纹管6，所述真空波纹管6的一端与球形腔体1固定并连通，所述真空波纹管6另一端通过真空法兰固定安装光学窗口，所述球形腔体1的表面开设有若干个观察窗5，在所述球形腔体1上还设有真空阀4，所述真空阀4与球形腔体1固定并连通。

所述真空阀4与球形腔体1之间设有连接法兰3，真空阀4与球形腔体1通过连接法兰3固定，所述连接法兰3、真空阀4和球形腔体1内部连通，所述连接法兰3的侧面固定有航空法兰2。

所述真空腔内设有用于放置样品靶11的升降式样品台，所述样品台的高度能够调节。

本实施例中球形腔体部分采用不锈钢材质，内腔直径φ300mm，厚3 mm，内外电化学抛光，以防止真空状态下的放气。真空波纹管为焊接波纹管，非标定制内径>105 mm，外径＜145mm的不锈钢焊接波纹管，压缩最小长度为90 mm，最大可拉长至285 mm。为消除激光反射造成杂散光的影响，波纹管内表面做黑化处理。真空波纹管数目和方位根据大型激光装置的激光布局设置，实验时，激光路径与真空波纹管中轴线重合，通过波纹管到达样品靶。焊接波纹管上下两端焊接真空法兰：上法兰为非标定制ISO法兰，总厚度18 mm，留有台阶与波纹管焊接，另一面与ISO100 尺寸一样，另有3 个耳朵带有Φ10mm通孔，标准8xΦ9mm的通孔，全部变为M8 的螺纹孔，以方便人工上螺钉；下法兰采用标准CF100真空法兰，但与上法兰Φ10mm通孔对应的位置开M10的螺孔，用于固定不锈钢丝杆。

所述短丝杆和长丝杆均采用M10的不锈钢全丝杆，3个一组固定真空波纹管，以防止在强光照射下的振动；一端螺帽焊死，另一端穿过非标ISO上法兰与CF100下法兰螺孔相刚性连接；进出手套箱门时丝杆长度为144mm（不含焊死的螺帽），可保证进门时，波纹管组件到球面总长不超过160 mm；为保证光学窗口玻璃离球心≥500 mm，实验时配丝杆长度为314 mm（不含焊死的螺帽）。

光学窗口玻璃由ISO100上法兰及另一个ISO法兰固定，玻璃品质优于康宁7980的0F级石英玻璃，平行度优于10″，通过面型优于1/15λ，双面镀增透膜，对351 nm激光，通过率大于99.8%。

观察窗口玻璃由真空法兰固定，玻璃品质优于康宁7980的0F级石英玻璃，平行度优于10″，通过面型优于1/15λ，双面镀增透膜，对可见光，通过率大于99%。

所述连接法兰采用CF200法兰，可以用作进料口，CF200 进样口用CF200 盲板密封，盲板上焊死一个KF25 高真空阀门，方便与用户分子泵连接，保证抽空保压24 小时后，真空度达10^－2Pa；CF200 的侧管上，分别有CF16 接口一个，用来接真空规；另有CF35 接口一个，用来接有至少8 脚的穿电线接头的航空法兰。

所述样品台包括升降台7，所述升降台7的上方固定有盒体支架8，所述盒体支架8的上方固定有诊断盒10，所述样品靶11位于所述诊断盒10上，在升降台7与诊断盒10之间设有激光瞄靶组件。

所述激光瞄靶组件包括可见光CMOS9，在所述可见光CMOS9的感光面设有盖子13，在所述盖子13外设有旋转台12，所述盖子13能够通过旋转台12的转动打开与关闭。

本实施例中的可见光CMOS9上设置的盖子13采用ZWB2滤光片盖子来修正激光热位移，通过盖子的打开和关闭，来消除误判，从而提高使用可见光CMOS的准确率，也是对可见光CMOS的保护。

基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔的应用方法，包括以下步骤：

在激光装置靶室中安装真空腔，所述真空腔所占空间能够通过真空波纹管6的伸缩改变，当真空腔进入激光装置靶室前能够压缩真空腔所占据的空间，当真空腔进入激光装置靶室后能够展开真空腔所占据的空间；

在真空腔内放置样品靶11，并调节真空腔的位置；

调节激光束瞄准样品靶11；

进行毒害材料原位诊断实验。

在安装所述真空腔时，包括以下步骤：

用短丝杆压缩所述真空波纹管6到短丝杆的极限；

将所述真空腔安装到所述激光装置靶室内；

取下所述短丝杆，并安装长丝杆，将所述真空波纹管6固定，所述长丝杆的长度满足：激光经过所述光学窗口时，激光能量密度小于光学窗口损伤阈值。

所述真空腔内设有升降台7和激光瞄靶组件时，所述调节激光束瞄准样品靶11的过程包括以下步骤：

将升降台7升至最高，调整所述旋转台12并将所述盖子13打开；

通过远焦显微镜观察可见光CMOS9的感光面，调节所述真空腔的位置，将可见光CMOS9置于靶室中心；

调整旋转台12将盖子13关闭；

逐一调节背光靶激光，将焦点和打靶位置调节在激光装置靶室中心；

将升降台7降至最低调节真空腔，将背光靶置于靶室中心。

本实施例中所述盖子13带有ZWB2滤光片，用于修正激光的热漂移。

本实施例在应用真空腔进行具体实验的时候，通过激发激光器，向真空腔内打入激光束，通过激光和背光靶的作用会产生X射线，通过X射线的衍射对毒害材料的动力学特性进行观测和记录，达到有效完成毒害材料原位诊断实验的目的。

本发明通过所述球形腔体1的包围限制，保护激光装置不受到所述毒害材料的污染，通过所述真空波纹管6的引导，有效的使得加载激光束与样品作用产生冲击波，从而达到毒害材料原位诊断实验的极端环境标准，同时真空波纹管的长度能够使得激光经过所述光学窗口时，激光能量密度小于光学窗口损伤阈值，避免了激光“击碎”光学窗口，破坏所述真空腔的密封效果，造成毒害材料泄露，污染激光装置的情况出现。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔，其特征在于，包括球形腔体（1），在球形腔体（1）外分布有若干个真空波纹管（6），所述真空波纹管（6）的一端与球形腔体（1）固定并连通，所述真空波纹管（6）另一端通过真空法兰固定安装光学窗口，所述球形腔体（1）的表面开设有若干个观察窗（5），在所述球形腔体（1）上还设有真空阀（4），所述真空阀（4）与球形腔体（1）固定并连通。

2.根据权利要求1所述的基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔，其特征在于，所述真空腔内设有用于放置样品靶（11）的升降式样品台，所述样品台的高度能够调节。

3.根据权利要求2所述的基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔，其特征在于，所述样品台包括升降台（7），所述升降台（7）的上方固定有盒体支架（8），所述盒体支架（8）的上方固定有诊断盒（10），所述样品靶（11）位于所述诊断盒（10）上，在升降台（7）与诊断盒（10）之间设有激光瞄靶组件。

4.根据权利要求3所述的基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔，其特征在于，所述激光瞄靶组件包括可见光CMOS（9），在所述可见光CMOS（9）的感光面设有盖子（13），在所述盖子（13）外设有旋转台（12），所述盖子（13）能够通过旋转台（12）的转动打开与关闭。

5.根据权利要求1所述的基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔，其特征在于，所述真空阀（4）与球形腔体（1）之间设有连接法兰（3），真空阀（4）与球形腔体（1）通过连接法兰（3）固定，所述连接法兰（3）、真空阀（4）和球形腔体（1）内部连通，所述连接法兰（3）的侧面固定有航空法兰（2）。

6.根据权利要求1~5任意一项所述基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

在激光装置靶室中安装真空腔，所述真空腔所占空间能够通过真空波纹管（6）的伸缩改变，当真空腔进入激光装置靶室前能够压缩真空腔所占据的空间，当真空腔进入激光装置靶室后能够展开真空腔所占据的空间；

在真空腔内放置样品靶（11），并调节真空腔的位置；

调节激光束瞄准样品靶（11）；

进行毒害材料原位诊断实验。

7.根据权利要求6所述的基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔的应用方法，其特征在于，在安装所述真空腔时，包括以下步骤：

用短丝杆压缩所述真空波纹管（6）到短丝杆的极限；

将所述真空腔安装到所述激光装置靶室内；

取下所述短丝杆，并安装长丝杆，将所述真空波纹管（6）固定，所述长丝杆的长度满足：激光经过所述光学窗口时，激光能量密度小于光学窗口损伤阈值。

8.根据权利要求6所述的基于激光装置进行毒害材料原位诊断的真空腔的应用方法，其特征在于，所述真空腔内设有升降台（7）和激光瞄靶组件时，所述调节激光束瞄准样品靶（11）的过程包括以下步骤：

将升降台（7）升至最高，调整所述旋转台（12）并将所述盖子（13）打开；

通过远焦显微镜观察可见光CMOS（9）的感光面，调节所述真空腔的位置，将可见光CMOS（9）置于靶室中心；

调整旋转台（12）将盖子（13）关闭；

逐一调节背光靶激光，将焦点和打靶位置调节在激光装置靶室中心；

将升降台（7）降至最低调节真空腔，将背光靶置于靶室中心。

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