CN216133670U - 中子散射静电悬浮器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及散裂中子源谱仪的技术领域，尤其涉及中子散射静电悬浮器，其包括样品腔与仪器腔密封连接后，形成密闭的样品真空腔室，样品真空腔室的壁上开设有多个连通样品真空腔室内外的窗口，窗口连接有第一通光井管，该第一通光井管实现样品真空腔室内外连通，第一通光井管的轴线与水平面平行或呈夹角；窗口分为用于样品中子散射时中子的出射散射窗口、用于中子入射和出射的中子窗口、以及用于光束入射和出射的光学窗口；样品真空腔室内设有实现样品静电悬浮的样品工位。本实用新型通过光学设备发射光束从光路窗口入射，经过反射镜后反射到光学窗口进入样品真空腔室内，射向样品工位，实现从空间边界上满足中子散射使用静电悬浮器。

Description

中子散射静电悬浮器

技术领域

本实用新型涉及散裂中子源谱仪的技术领域，尤其涉及中子散射静电悬浮器。

背景技术

中子散射静电悬浮器是实现工程材料无容器环境下中子散射原位测量、多物性测量的光机电一体化集成装置。静电悬浮技术利用静电场中带电荷样品受到的库仑力来抵消重力，实现微重力、无容器的环境。无容器的环境消除了容器壁引起的污染、凝固过程异质形核作用和热输运的影响，尤其有利于工程材料熔体的深过冷现象研究，对工程材料尤其是非晶和纳米晶合金材料的研发有重要的理论和现实意义。此外，由于悬浮时不对样品产生额外的能量输入，从而可避免干扰样品的相变过程，易于结合其他非接触测量设备实现样品的热物性测量。应用于中子散射，可实现工程大试样(尤其是高温熔体)的稳定悬浮、静态和动态微观结构的原位测量。

目前，国内外所研制的静电悬浮器多用于密度、粘度等物性测量，加热激光、定位激光、观测相机、背景光源等光学设备布局在悬浮器真空腔体水平面周边，光路只能采用水平入射和出射的方式。本实用新型因应用于中子散射的悬浮器需安装至空间狭窄的散射腔体中的井道内，光学设备无法布局在悬浮器真空腔体周边，仅能布局在腔体上部，并采用垂直入射-反射镜反射-垂直出射的光路方式来解决目前光路只能采用水平入射和出射的缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于提供中子散射静电悬浮器，旨在解决现有技术中的静电悬浮器多用于密度、粘度等物性测量，加热激光、定位激光、观测相机、背景光源等光学设备布局在悬浮器真空腔体水平面周边，光路只能采用水平入射和出射的方式的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型提供的中子散射静电悬浮器，所述的样品腔与仪器腔密封连接后，形成密闭的样品真空腔室，所述样品真空腔室的壁上开设有多个连通样品真空腔室内外的窗口，所述窗口连接有第一通光井管，该第一通光井管实现样品真空腔室内外连通，所述样品真空腔室内设有实现样品静电悬浮的样品工位。

其中，所述第一通光井管的轴线与水平面平行或呈夹角。

其中，所述窗口分为用于样品中子散射时中子的出射散射窗口、用于中子入射和出射的中子窗口、以及用于光束入射和出射的光学窗口。

进一步的，所述的样品腔为真空环境，其底部安装有反射镜安装平台，所述反射镜安装平台上设置有安装底座，安装底座上安装有反射镜组件，反射镜组件包括支架和安装在支架上的反射镜。

其中，所述反射镜组件的支架可拆卸式连接在安装底座上，反射镜组件中的反射镜与光学窗口的位置相对应。

其中，所述反射镜可调节式安装在支架上，调试反射镜在支架上的位置实现反射镜与光学窗口的角度和高程相对应。

进一步的，所述样品真空腔室内设置有可拆卸式安装的电极装置，所述样品工位设于电极装置上。

进一步的，所述电极装置包括主电极组件、陶瓷绝缘板和若干侧电极，所述主电极组件包括上电极和下电极，所述下电极设置在陶瓷绝缘板的中心位置，所述侧电极设置在下电极的侧边，所述上电极、下电极和侧电极之间形成的静电场为样品工位，静电场可控制样品的静电悬浮。

其中，所述侧电极设有2对，分别设置于下电极的两侧。

进一步的，所述的样品腔与仪器腔密封连接后，整体安装于散裂中子源谱仪内后，所述样品真空腔室的外壁与散裂中子源谱仪的内壁形成散射腔，该散射腔为真空腔环境或者大气环境，且散射腔与样品真空腔室之间可存在大气压差，也可以是相等大气压值。

进一步的，所述样品腔的顶部与仪器腔的底部对接密封连接，连接后仪器腔与样品腔之间内部贯通形成中空柱状的样品真空腔室。

进一步的，所述样品真空腔室内的底部安装有紫外灯模块，用于照射静电悬浮中的样品。

进一步的，所述反射镜安装平台的底端设置有可拆卸式的支腿。

进一步的，所述仪器腔的上部安装有光学设备安装平台，以光学设备安装平台为基准，其以下的部分为散射腔环境，以上的部分为大气环境。

进一步的，所述光学设备安装平台上开设有多个连通光学设备安装平台内外的光路窗口，所述光路窗口连接有第二通光井管，所述第二通光井管实现光学设备安装平台内外连通，所述光路窗口用于光路的穿透，并通过反射镜的反射方向与光学窗口相对应。

其中，所述第二通光井管的轴线与水平面呈夹角，所述夹角的角度为0°＜θ≤90°。

进一步的，所述光学设备安装平台上安装有用于安装光学设备的环形光学设备安装支架，所述环形光学设备安装支架可拆卸式安装在光学设备安装平台上。

进一步的，所述仪器腔包括主腔体和顶部腔体，所述顶部腔体安装在主腔体上方，所述主腔体上设置有至少一个分子泵预留孔，所述分子泵预留孔用于安装分子泵或者盲板。

本实用新型提供的中子散射静电悬浮器，其有益效果是：

1、本实用新型通过仪器腔上的光学设备发射光束从光路窗口入射，经过反射镜后反射到光学窗口进入样品真空腔室内，射向样品工位，实现从空间边界上满足中子散射使用静电悬浮器；

2、本实用新型通过将反射镜和支架设置于样品真空腔室的外部，可以在无需破坏真空的情况下，更方便操作反射镜的位置、角度和高程，使得多个方位的光束射入到样品真空腔室内，实现从不同的立体角度照射样品，达到均匀加热的效果；

3、本实用新型的紫外灯采用底部竖直安装的方式，用于为静电悬浮的样品补充电荷，避免了对本实用新型外周空间的占用，适应中子散射应用的空间限制；

4、本实用新型通过样品腔和仪器腔均采用模块化设计，通过模块的组合配置，可以实现不同的光学设备和反射镜组件的安装组合，满足各种样品的照射需求；

5、本实用新型的电极组件采用上下一对的高压悬浮电极，以及2对正交布局的稳定悬浮的侧电极，使得样品能稳定的在样品工位上静电悬浮。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为样品腔和仪器腔密封连接后的立体结构示意图；

图2为样品腔和仪器腔密封连接后，整体安装于散裂中子源谱仪内后的结构说明图，(a)是样品腔和仪器腔密封连接后，与相对应的散裂中子源谱仪的散射腔部分的结构示意图，(b)是样品腔和仪器腔密封连接后，整体安装于散裂中子源谱仪内的散射腔部分的结构示意图；

图3为样品腔和仪器腔拆解后的立体结构示意图；

图4为样品腔的立体结构示意图；

图5为样品腔的分解结构示意图；

图6为电极组件的结构示意图；

图7为仪器腔含光学设备时的立体结构示意图；

图8为仪器腔不含光学设备时的立体结构示意图；

图9为仪器腔的分解结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1、样品腔，11、反射镜安装平台，12、安装底座，13、支架，14、反射镜，15、紫外灯模块，16、支腿；

2、仪器腔，21、光学设备安装平台，22、光路窗口，23、第二通光井管，24、环形光学设备安装支架，25、光学设备，26、主腔体，27、顶部腔体，28、分子泵预留孔，29、分子泵，30、盲板；

3、样品真空腔室，31、窗口，311、中子窗口，312、散射窗口，313、光学窗口，32、第一通光井管，33、电极装置，331、上电极，332、下电极，333、陶瓷绝缘板，334、若干侧电极，335、法兰盘；

4、谱仪，41、散射腔；

5、中子散射静电悬浮器。

具体实施方式

以下结合说明书附图，详细说明本实用新型的具体实施方式：

参考图1、2(a)和2(b)，本实用新型提供的中子散射静电悬浮器5，包括样品腔1和仪器腔2，样品腔1与仪器腔2密封连接后，形成密闭的样品真空腔室3，样品真空腔室3的壁上开设有多个连通样品真空腔室3内外的窗口31，且样品真空腔室3内设有实现样品静电悬浮的样品工位，该样品真空腔室3实现了为高温加热的样品提供绝热环境；

其中，样品腔1的顶部与仪器腔2的底部对接密封连接，连接后仪器腔2与样品腔1之间内部贯通形成中空柱状的样品真空腔室3；样品腔1与仪器腔2密封连接后，整体安装于散裂中子源谱仪4内后，样品真空腔室3的外壁与散裂中子源谱仪4的内壁形成散射腔41；而且，样品真空腔室3与散射腔41之间可存在大气压差，也可以是相等大气压值，特别需要说明的是，该样品真空腔室3的真空度通常为10^-4Pa量级，更优的要求是10^-5Pa～10^-6Pa；本领域技术人员容易理解的是：样品腔1与仪器腔2密封连接后，整体安装于散裂中子源谱仪4内后，样品真空腔室3的外壁与散裂中子源谱仪4的内壁形成的散射腔41，与散裂中子源谱仪4内的散射腔41为同一个散射腔41。

当然，该样品腔1与仪器腔2密封连接后，不限于安装在散裂中子源谱仪4内，也可以将整体安装在其它中子散射的谱仪内。

如图3所示，样品腔1为真空环境，样品腔1的底部安装有反射镜安装平台11；而仪器腔2的上部安装有光学设备安装平台21，该光学设备安装平台21是密封安装在散裂中子源谱仪内散射腔41的安装孔上，以光学设备安装平台21为基准，其以下的部分为散射腔41环境，以上的部分为大气环境，而散射腔41可以为真空腔环境，也可以为大气环境。

进一步参考图4和5，样品真空腔室3壁上开设的窗口31，其连接有第一通光井管，第一通光井管32实现样品真空腔室3内外连通，该第一通光井管32的轴线可以与水平面平行，为保证样品的立体均匀加热，第一通光井管32的轴线与水平面也可以呈一定的夹角，在本实施案例中设置为+15°或-15°，但不限于此固定角度，使得所有第一通光井管32的轴线均汇聚至样品工位的中心。

其中，窗口31实现了样品真空腔室3的内部真空与外部气氛的隔绝，并且窗口31还分为用于中子入射和出射的中子窗口311、用于样品中子散射时中子的出射散射窗口312、以及用于光束入射和出射的光学窗口313；以及，中子窗口311设置至少一个，散射窗口312设置至少两个，若两个散射窗口312时，其对称开设于样品真空腔室3的两侧，光学窗口313设置四组以上，不同组合可以自由搭配。

进一步的，样品真空腔室3外的反射镜安装平台11上设置有安装底座12，安装底座12上安装有反射镜组件，反射镜组件包括支架13和安装在支架13上的反射镜14，而该反射镜组件的支架13可拆卸式连接在安装底座12上，反射镜组件中的反射镜14与光学窗口313的位置相对应，同时，反射镜14可调节式安装在支架13上，调试反射镜14在支架13上的位置实现反射镜14与光学窗口313的角度和高程相对应，与现有技术相比(现有的反射镜14在样品真空腔室3内的做法)，本实施例的反射镜14及其支架13在样品真空腔室3外，在需要调节镜片时(通常是因为抽真空、长时间使用等原因产生微小变形或位移)，无需停止正在抽真空的真空泵，无需将镜片和镜架从散射腔41中抽取出来，即可在外部实时调节，明显降低光路调节的复杂性和操作难度。

如图6所示，样品真空腔室3内设置有可拆卸式安装的电极装置33，电极装置33包括主电极组件、陶瓷绝缘板333和若干侧电极334，主电极组件包括上电极331和下电极332，下电极332接地，上电极331接入负高压，下电极332设置在陶瓷绝缘板333的中心位置，侧电极334设置有2对，并分别设置于下电极332的两侧，上电极331、下电极332和若干侧电极334之间形成的静电场为样品工位，静电场可控制样品的静电悬浮；

上电极331和下电极332用于产生高压静电场，实现样品的悬浮以及控制样品的沿电极轴向的位移；还能根据样品的重量、尺寸、材料，上电极只需要输入不同的电压，该电压可实时控制调节；本实施例中，采用了最高-50kV的高压，可满足悬浮不小于500mg样品的需求；

侧电极334用于在横向产生偏移电场，对样品在水平方向的位移偏差作修正，而且每对电极的其中一个电极接地，另一电极接高压，高压需要接入正电压和负电压，并实时调节高压电源；本实施案例中，高压电源最大高压为±10kV。

进一步的，样品真空腔室3内的底部安装有紫外灯模块15，用于照射静电悬浮中的样品，该紫外灯15采用底部竖直安装的方式，通过光电效应，为样品补充正电荷；由于样品真空腔室3外部的光学窗口非常密集，而紫外灯15(因能量和强度的需要，需要采用体积较大的真空深紫外灯)体积较大，在狭窄的尺寸边界上难以安装，为解决此问题，国外有在样品真空腔室侧面、且与水平面呈55°的夹角安装紫外灯的方案，但限于狭窄的安装空间，在本实施案例中，无法采用上述方案；本实用新型采用了紫外灯15底部竖直安装的方式，该技术方案的紫外光从底部竖直照射样品底部，解决了紫外灯15需占用较大空间的问题。

另外，反射镜安装平台11的底端设置有可拆卸式的支腿16，用于缓解中子散射静电悬浮器5安装于谱仪4内的安装压力。

进一步参考图7，仪器腔2的底部安装有光学设备安装平台21，该光学设备安装平台21上开设有多个连通光学设备安装平台21内外的光路窗口22，该光路窗口22用于真空隔绝和光路的穿透，并通过反射镜14的反射方向与光学窗口313相对应；激光、测温光线、相机背景光等光线从光路窗口22入射，经过反射镜14后反射到光学窗口313进入样品真空腔室3内，射向样品工位；以及，光路窗口22连接有第二通光井管23，第二通光井管23实现光学设备安装平台21内外连通，且第二通光井管23的轴线与水平面垂直。

接着，光学设备安装平台21上安装有环形光学设备安装支架24，为激光器、相机、镜头等光学设备25提供安装位置，而且，采用环形的设计，光学设备25可在环形光学设备安装支架24的圆周范围任意角度布局，对光学设备25的安装极为便利，另外，环形光学设备安装支架24是可拆卸式安装在光学设备安装平台21上的。

另外，仪器腔2包括主腔体26和顶部腔体27，顶部腔体27安装在主腔体26上方，主腔体26上设置有至少一个分子泵预留孔28，分子泵预留孔28用于安装分子泵29或者盲板30；本领域技术人员容易理解的是，当样品腔1的顶部与仪器腔2的底部对接密封连接后，该样品真空腔室3、主腔体26和顶部腔体27是连通成一体的，形成一悬浮器真空腔体，用于安装其它部件，比如除本实施例以外的自动换样机构等等。

本实用新型的工作原理：首先，把样品放置在电极装置33内，在将电极装置33安装在样品腔3内，接着，样品腔1的顶部与仪器腔2的底部对接密封连接，实现将电极装置33安装在样品真空腔室3内，然后，通过分子泵机组29进行样品真空腔室3的抽真空，接着安装并调节好各组光路(光学设备25-光路窗口22-反射镜组件14-光学窗口313)，并整体安装于散裂中子源谱仪4内，之后通过谱仪4上的分子泵机组29进行散射腔41的抽真空，接着，电极装置33产生静电场，使得样品实现静电悬浮，然后从谱仪4内射出一中子束流，通过中子窗口311入射到样品中心，中子束流打到样品时会散射出中子，会通过散射窗口312出射，在此之间，可通过激光对样品均匀加热，样品在悬浮期间会损失一些正电荷，为保证样品稳定的静电悬浮，通过紫外灯15补充正电荷相机或镜头用于为样品进行物性检测、状态监测等，完后，停止中子束流，关闭各组光路，关闭电极装置33产生的静电场，关掉紫外灯15，待中子散射完后，打开顶部腔体27，将电极装置33拆卸出来，替换样品，再把电极装置33安装进样品真空腔室3内，然后通过分子泵29进行样品真空腔室3的抽真空，即可重复上述的操作，或者也可以采用自动换样装置进行样品的更换。

本实用新型提供的中子散射静电悬浮器，其有益效果是：

1、本实用新型通过仪器腔上的光学设备发射光束从光路窗口入射，经过反射镜后反射到光学窗口进入样品真空腔室内，射向样品工位，实现从空间边界上满足中子散射使用静电悬浮器；

2、本实用新型通过将反射镜和支架设置于样品真空腔室的外部，可以在无需破坏真空的情况下，更方便操作反射镜的位置、角度和高程，使得多个方位的光束射入到样品真空腔室内，实现从不同的立体角度照射样品，达到均匀加热的效果；

3、本实用新型的紫外灯采用底部竖直安装的方式，用于为静电悬浮的样品补充电荷，避免了对本实用新型外周空间的占用，适应中子散射应用的空间限制；

4、本实用新型通过样品腔和仪器腔均采用模块化设计，通过模块的组合配置，可以实现不同的光学设备和反射镜组件的安装组合，满足各种样品的照射需求；

5、本实用新型的电极组件采用上下一对的高压悬浮电极，以及2对正交布局的稳定悬浮的侧电极，使得样品能稳定的在样品工位上静电悬浮。

本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (18)

1.中子散射静电悬浮器，包括样品腔和仪器腔，其特征在于：所述的样品腔与仪器腔密封连接后，形成密闭的样品真空腔室，所述样品真空腔室的壁上开设有多个连通样品真空腔室内外的窗口，所述窗口连接有第一通光井管，该第一通光井管实现样品真空腔室内外连通，所述样品真空腔室内设有实现样品静电悬浮的样品工位。

2.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述第一通光井管的轴线与水平面平行或呈夹角。

3.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述窗口分为用于样品中子散射时中子的出射散射窗口、用于中子入射和出射的中子窗口、以及用于光束入射和出射的光学窗口。

4.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述的样品腔为真空环境，其底部安装有反射镜安装平台，所述反射镜安装平台上设置有安装底座，安装底座上安装有反射镜组件，反射镜组件包括支架和安装在支架上的反射镜。

5.根据权利要求4所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述反射镜组件的支架可拆卸式连接在安装底座上，反射镜组件中的反射镜与光学窗口的位置相对应。

6.根据权利要求4所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述反射镜可调节式安装在支架上，调试反射镜在支架上的位置实现反射镜与光学窗口的角度和高程相对应。

7.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述样品真空腔室内设置有可拆卸式安装的电极装置，所述样品工位设于电极装置上。

8.根据权利要求7所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述电极装置包括主电极组件、陶瓷绝缘板和若干侧电极，所述主电极组件包括上电极和下电极，所述下电极设置在陶瓷绝缘板的中心位置，所述侧电极设置在下电极的侧边，所述上电极、下电极和侧电极之间形成的静电场为样品工位，静电场可控制样品的静电悬浮。

9.根据权利要求8所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述侧电极设有2对，分别设置于下电极的两侧。

10.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述的样品腔与仪器腔密封连接后，整体安装于散裂中子源谱仪内后，所述样品真空腔室的外壁与散裂中子源谱仪的内壁形成散射腔，该散射腔为真空腔环境或者大气环境。

11.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述样品腔的顶部与仪器腔的底部对接密封连接，连接后仪器腔与样品腔之间内部贯通形成中空柱状的样品真空腔室。

12.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述样品真空腔室内的底部安装有紫外灯模块，用于照射静电悬浮中的样品。

13.根据权利要求4所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述反射镜安装平台的底端设置有可拆卸式的支腿。

14.根据权利要求1所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述仪器腔的上部安装有光学设备安装平台，以光学设备安装平台为基准，其以下的部分为散射腔环境，以上的部分为大气环境。

15.根据权利要求14所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述光学设备安装平台上开设有多个连通光学设备安装平台内外的光路窗口，所述光路窗口连接有第二通光井管，所述第二通光井管实现光学设备安装平台内外连通，所述光路窗口用于光路的穿透，并通过反射镜的反射方向与光学窗口相对应。

16.根据权利要求15所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述第二通光井管的轴线与水平面呈夹角，所述夹角的角度为0°＜θ≤90°。

17.根据权利要求16所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述光学设备安装平台上安装有用于安装光学设备的环形光学设备安装支架，所述环形光学设备安装支架可拆卸式安装在光学设备安装平台上。

18.根据权利要求17所述的中子散射静电悬浮器，其特征在于：所述仪器腔包括主腔体和顶部腔体，所述顶部腔体安装在主腔体上方，所述主腔体上设置有至少一个分子泵预留孔，所述分子泵预留孔用于安装分子泵或者盲板。

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