磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置的制作方法

专利名称：磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料的悬浮处理装置，尤其是在强磁环境下固态及液态抗磁性材料的失 重状态无容器处理装置。
背条技术
空间环境下的材料处理技术是空间科学研究中最重要的研究方向之一。在空间环境下进 行材料处理，主要是利用空间环境的失重条件。失重条件可以消除或大大减弱在重力场条件 下存在的对流、沉降等现象，为材料处理带来新的手段，有利于获得新的或具备特殊性能的 材料。此外，空间环境下，也很容易实现长时间的无容器材料处理。无容器材料处理技术主 要利用悬浮状态下材料不与容器内壁接触的特点，可消除有容器材料处理中存在的器壁与处 理材料之间的相互作用，如器壁造成的对材料的污染，及附着于器壁导致的材料应力等有害 作用，有利于获得质量高、性能均一的材料。总之，空间是实现无容器失重材料处理的理想 环境。
然而，尽管空伺环境所提供的失重状态能够满足无容器、完全悬浮的要求，但是空间环 境的利用受发射机会、成本等条件限制。因此，为充分利用每次空间科学实验的机会，提高 其成功率，在地面寻找模拟手段进行预先实验，取得对空间科学实验有参考意义的实验结果， 十分必要。此外，在地面发展的研究手段若能达到空间科学实验的目的，则可考虑使用地基 手段替代相应的空间科学实验。因此，地面实验技术的研发，有着十分重要的意义。
在地面实现无容器失重条件比较困难，而使该条件长时间持续维持则更加困难。曾有利 用落管装置实现无容器失重条件生长合金晶体的研究，此法对仅需数秒时间的瞬态科学研究 十分有用，但不适宜于需要时间跨度较长的多数材料科学和生命科学实验。
地面重力场下的悬浮技术有声悬浮、气悬浮、静电悬浮、电磁悬浮等，这些技术虽然能 够使材料在较长时间内处于无容器状态，但这些材料的内部受力不均匀，难以在力学环境方 面很好地模拟空间失重状态。
从力学环境一致性的角度出发，可考虑在地面寻找能平衡物体自身重力的场力(或称为 体力body force,即物体内部各点均同时受到物理场中同种性质的力的作用)。梯度静磁场 对材料产生的作用力是一种场力，若使这种力与重力的大小相等，但方向相反，则可平衡重 力，获得失重状态。为了通过这种途径实现失重状态，材料的悬浮位置必须满足磁场强度和 磁场梯度足够大的条件(即大梯度强磁场条件，例如悬浮纯水的条件是-|//。2//(cffl7flW|>1370r2/m)。 20世纪90年代，研制的大型混合磁体可产生大梯度强磁场，实现抗磁性生命体及其他抗磁材料(自然界大多材料为抗磁性)的悬浮，可成功模拟空间失 重状态。但混合磁体能耗过大，且持续时间较短，适宜于开展短时间的科学实验，难以推广 应用于多数材料及生命科学研究。近年来，超导磁体技术得到迅速发展，其性能已达到混合磁体悬浮生命体等抗磁性物质 的能力，同时该技术解决了混合磁体不能长时间工作的问题。此外，与混合磁体相比，超导 磁体的能耗几乎可忽略不计。因此，具备悬浮能力的超导磁体为在地面模拟失重条件下开展 长时间材料科学及生命科学研究提供了一种新的途径。目前，利用具备悬浮能力的超导磁体 进行材料科学和生命科学研究才刚刚开始，迫切需要用于该类超导磁体模拟失重状态下的长 时间无容器悬浮实验装置，但迄今为止，该类装置报道极少，公开报道的用于磁体中的无容 器、失重、悬浮抗磁性材料的装置仅有一类，而且这类装置是专为固态样品在悬浮状态下进 行熔化凝固处理而设计的不具备液体样品进样系统，不能处理液态样品；其材料悬浮位置与 外部空间直接相通，难以避免来自外部空间的污染及液态物质的挥发；或其悬浮腔中使用与 外部相连的流动保护气氛，不能防止液态物质的挥发。同时，该类装置温控系统采用激光加 热或电阻加热方式，只能加热，不能致冷，且温度难以精确控制。 发明内容为克服现有技术不能处理液态样品、无法防止污染、只可加热不能致冷、温控不精确等 缺陷，本发明提供一种在大梯度强磁场中实现无容器失重悬浮的材料处理装置，该装置可使 实验对象(包括固态及液态样品)处于悬浮状态，可对实验对象进行实时观察，可加热可致 冷，可避免污染，并可实现对实验条件(温度、悬浮材料尺寸等)的实时监测和精确控制。本发明装置利用磁体实验腔1中的磁场环境实现抗磁性材料的悬浮。抗磁性材料在磁体实验腔l内的受力情况与位置相关，其中处于模拟失重状态位置，即悬浮位置(0g位置)14 的材料所受的磁化力方向向上，与其重力相平衡。在0g位置下方附近，磁化力大于重力，材 料将向上移动；在0g位置上方，磁化力小于重力，材料向下移动，因此置于0g位置附近的 材料将在磁化力和重力的共同作用下，最终稳定悬浮于0g位置。本发明就是利用该特性，将 待处理材料置于0g位置，在精确监控实验参数的前提下，对材料进行处理，并实现对材料处 理过程的实时记录。本发明的技术方案是包括磁体实验腔l、悬浮腔5、进样控制器8、温度控制器6、视 频采集器2、照明光源7、计算机10等部分。磁体实验腔l为位于磁体9中心位置，方向垂 直于地面的与室内空间相通的圆柱状空腔；磁体实验腔1内有一悬浮腔5，悬浮腔5是一密 闭空腔，为悬浮材料4提供密闭的无容器环境，0g位置位于悬浮腔5内；温度控制器6包围 悬浮腔5实现对其超度的监测与控制；进样控制器8位于悬浮腔5的下方并与悬浮腔5相通,
用于实现悬浮液态样品的推进；照明光源7位于悬浮腔5—端，根据样品性质可置于悬浮腔 5的下方或上方；视频采集器2位于悬浮腔5的上方，并与磁体外的计算机10相连，用于对样品进行实时观察与记录。悬浮腔5上端有透光片3，其上方放置视频采集器2，下端连接进样控制器8。在悬浮腔 5内部下端有样品收集皿24，为一圆形玻璃皿，用于收集经悬浮处理后的材料。进样控制器8与悬浮腔5相连，包括进样口 11、储液池12及进样驱动单元13。进样口 11从悬浮腔5下方插入，进入到悬浮腔5内。储液池12直接与进样口 ll相连，是用于存储 待处理液态样品的密闭容器。进样驱动单元13与储液池12相连，可采用机械推进方式也可 采用气压或液压推进方式使储液池12压强增加，将储液池12中特定体积的样品挤入悬浮腔 5并在抗磁力的作用下将样品悬浮于0g位置。温度控制器6位于磁体实验腔1的内侧，悬浮腔5的外围，用于对悬浮腔5内的环境温 度进行控制。控温装置采用循环水浴或热电致冷器件控温装置。采用循环水浴控温装置时， 温度控制器6由水浴22、控温水套21及循环水管道20构成。水浴22放置于磁体外，通过 循环水管道20与包围悬浮腔5的控温水套21连接。调节水浴22可实现远程温度控制。采用 热电致冷控温装置时，温度控制器6由热电致冷器件、控温电源、温度传感元件、信号线、 电源线构成。控温电源置于磁体外，通过信号线、电源线与包围悬浮腔5的热电致冷器件及 悬浮腔5内的温度传感元件连接，实现对悬浮腔5的温度控制。两种控温装置均采用主动控 温方式，即控温点在悬浮腔内，可保证悬浮腔内温度控制准确。控温点温度由温度探测器25 监测，可选用铂电阻、热电偶等元件，置于悬浮腔5的内壁。视频采集器2位于悬浮腔5的上方，可透过悬浮腔5顶部的透光片3实时观察悬浮腔5 内部情况。视频采集器2可选用超小型CCD摄像头15，也可选择加带显微镜头的图像采集器 件。视频采集器2接收悬浮腔5内的视频信息，并将其输入到计算机IO，实现对悬浮腔5内 情况的实时观察和记录。照明光源7为悬浮材料4提供照明，保障视频釆集器2采集到最佳的视频图像信号。所 述的照明光源7可采用不同形状和颜色的，亮度和角度可调的冷光源。照明光源7根据样品 透明与否选择放置位置，对透明样品，照明光源7放置于悬浮腔5的下部；对不透明样品， 照明光源放置于悬浮腔的上方，即视频采集器2的同一侧。通过本发明可将液态或固态抗磁性样品悬浮于密闭的悬浮腔5中，实现无容器、完全悬 浮的材料处理。对于液态抗磁性材料，其工作原理是将配制好的液态抗磁性样品加入储液 池12，将其与进样口 11和进样驱动单元13连接，然后将进样控制器8与悬浮腔5相连。之 后将连接好的悬浮腔5及进样控制器8置于磁体实验腔1中，调节悬浮腔5在磁体实验腔1
中的上下位置，使磁体中的0g位置位于悬浮腔5内；通过数据线将视频采集器2与计算机 IO相连，并与照明光源7组建实时观察系统，通过计算机10的显示器观察悬浮腔5内的情 况；利用进样驱动单元13将特定体积的液态抗磁性材料缓慢注入悬浮腔5，通过计算机10 的显示器可实时观察到溶液从进样口 11挤出并在短时间内稳定悬浮于悬浮腔5内的Og位置； 调节温度控制器6对悬浮腔5进行温度控制，开始材料的处理；通过计算机10的存储介质实 时记录材料处理全过程。对于固态抗磁性材料，其工作原理与上述液态材料的处理过程基本一致，区别在于固 态材料处理中不使用进样控制器8，而是直接将固态样品置于密闭的悬浮腔5中，通过调节 悬浮腔5在磁体中的垂直位置，即可实现该固态样品的悬浮。本发明的有益效果是将抗磁性材料进行无容器悬浮，并在严格可重复、可控制条件下 实现材料的处理及观测。与现有技术相比，本发明具有如下优点(1)可实现液态及固态抗 磁性样品在失重状态下的无容器处理。即采用进样控制器8的进样驱动单元13,推动进样控制器8中的液态样品进入悬浮腔5，可实现液态样品的悬浮。或调节悬浮腔5在磁体实验 腔l中的位置，可将预先放置于悬浮腔5中的固态样品悬浮起来；(2)可防止样品的蒸发，并能避免来自外部空间的污染。即采用完全密闭的悬浮腔5，在腔内达到了饱和蒸汽压后，液态样品的蒸发与凝结平衡，从而防止了无限制的蒸发。此外，密闭的空间防止了来自外界的污染；(3)可实现温度的精确控制，且可实现加热与致冷。B卩采用热电致冷或恒温水浴 控温技术，可以实现对样品的加热及致冷；采用远程主动控温方式(即控温点在悬浮腔内)， 可以实现样品温度的精确控制；(4)可精确控制样品的体积，并最大程度减小污染。g卩采 用成本低廉的进样控制器8，通过机械、液压或气压推进量的大小，均可获知样品体积的精 确值；而进样控制器8实现一次性使用，可最大程度减小污染(5)可获得优良的图像质量。 即采用视频采集器2及照明光源7组合，通过对二者的调节，可实现高质量图像的捕获。发明人利用本发明已在世界上首次实现了地面上长时间、无容器、完全悬浮、失重状态 下的蛋白质晶体生长实验，并实时记录了悬浮状态蛋白质晶体生长、溶解与再生长的全过程。下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。


图1是本发明的装置示意中，1-磁体实验腔，2-视频采集器，3-透光片，4-悬浮材料，5-悬浮腔，6-温度控制 器，7-照明光源，8-进样控制器，9-磁体，10-计算机，11-进样口， 12-储液池，13-进样驱动单元。图2是磁体内磁场强度分布示意图
图中，14-悬浮位置(0g位置)。图3是本发明实施例一的装置结构示意中，15-超小型CCD摄像头，16-CCD控制器，17-录像机，18-温度显示器，19-超导 磁体，20-循环水管道，21-控温水套，22-水浴。图4是本发明所述磁体实验腔1内部装置结构示意中，23-针头，24-样品收集皿，25-温度探测器，26-注射器，27-平衡气囊，28-定位 器，29-调节螺杆。
具体实施方式
实施例一、超导磁体内无容器失重悬浮状态下的溶菌酶溶液晶体生长装置本发明实施例是针对现有技术存在的不能处理液态样品、溶液易蒸发、体积难控制、污 染难避免、观察效果欠佳、不能加热、难以稳定精确控制温度等缺点的一个解决方案。超导磁体19内(如图2所示)可供实验用空间为O50mmX1210ram的圆柱状空腔，称为磁 体实验腔1。抗磁性材料在腔内的受力情况与位置相关，其中处于模拟失重状态的悬浮位置 (0g位置)14的材料所受的磁化力方向向上，与其重力相平衡。本发明装置实施例结构组成(如图3、图4所示)包括悬浮腔5、定位器28、针头23、 注射器26、调节螺杆29、平衡气囊27、样品收集皿24;控温水套21、水浴22、循环水管道 20、温度探测器25、温度显示器18;超小型CCD摄像头15、 CCD控制器16、透光片3、照明 光源7、录像机17、计算机10等。悬浮腔5为悬浮材料4提供密闭的无容器环境，是一密闭腔室，从超导磁体19下方进入 磁体实验腔l内部，通过定位器28调节高度，使0g位置处于悬浮腔5内。进样控制器8与悬浮腔5相连，由针头23、注射器26、调节螺杆29组成。针头23选用 0. 7mm输液器针头23从悬浮腔5底部插入，根据实验需要可选用不同尺寸的输液器针头23。 选用2ml的一次性注射器26作为密闭的储液池与针头23相连并位于悬浮腔5的下方，用于 存储液态样品。采用机械推进方式的调节螺杆29与注射器26下端相连，通过调节螺杆29推 动注射器26中的活塞，将样品挤入悬浮腔5，并在抗磁力的作用下悬浮于Og位置。旋转调 节螺杆29能够精确控制进样体积。悬浮腔5通过管道连接有平衡气囊27，平衡气囊27是一容积自由可变的气囊，用于保证 悬浮腔5内的压强与外部空间环境一致，防止因悬浮腔5内气体热胀冷縮产生的气压差驱动 进样控制器8挤入多余样品。悬浮腔5内的下部有玻璃制成的圆形样品收集皿24，用于收集处理完毕的样品。悬浮腔5连接有温度控制器6及温度探测器25，两者组合实现对悬浮腔5内温度齣控制，
并由温度显示器18实时显示实际温度，同时将该温度数据传送到计算机10进行记录。本实施例采用循环水浴控温技术，温度控制器6由水浴22、控温水套21及循环水管道 20构成。水浴22放置于超导磁体19外，通过循环水管道20与包围悬浮腔5的控温水套21 连接。悬浮腔5的温度由控温水套21控制，通过循环水管道20将水浴22与控温水套21相 通，用水浴22控制控温水套21的循环水温度，利用保温棉、绝热海绵和铝箔对磁体实验腔 l和循环水管道20进行保温。调节水浴22可实现远程温度控制，确保实验腔处于所需温度。 悬浮腔5上端有透光片3，透光片3上方为超小型CCD摄像头15，照明光源7置于悬浮 腔5的底部。CCD控制器16通过数据线与磁腔内超小型CCD摄像头15相连，控制并接收超小型CCD 摄像头15得到的悬浮腔5内的视频信息，并将收集到的视频信号输入到录像机17和计算机 10，从而对悬浮腔5内悬浮材料4处理的全过程通过计算机10的显示器实时观察，并由录像 机17的D-VHS磁带(可实现24小时连续的高品质摄像)和计算机10的硬盘实时记录。照明光源7能够对悬浮材料4进行照明，保障视频监视模块能够釆集到最佳的视频图像 信号。照明光源7选用亮度可调的冷光源(器件为发光二极管)制成面光源，为观察透明或 半透明材料提供透射光，同时该光源工作时不影响悬浮腔5的温度。本发明装置在磁体内部的材料均选择非铁磁性材料，包括环氧树脂、铜、铝等材料。通过本实施例可将液态抗磁性透明材料悬浮于密闭的悬浮腔5中，实现无容器、完全悬 浮的材料处理，并对处理过程进行实时监控。工作原理是将配制好的用于结晶的溶菌酶(一 种蛋白质)溶液加入到注射器26中，将其与针头23和调节螺杆29连接，然后将针头23从 下方插入悬浮腔5,将其置于磁体实验腔1中；调节定位器28以改变悬浮腔5在磁体实验腔 l中的上下位置，使超导磁体19中的0g位置位于悬浮腔5内针头23的上方；接通照明光源 7、温度探测器25和温度显示器18的电源及数据线；通过数据线将超小型CCD摄像头15、 视频采集控制器13、录像机17、计算机IO相连组建实时观察系统，并通过计算机10的显示 器观察到悬浮腔5内图像；转动调节螺杆29将注射器26中特定体积的液态抗磁性材料从针 头23缓慢注入悬浮腔5，通过计算机10的显示器可实时观察到溶液从针头23挤出并在短时 间内稳定悬浮于悬浮腔5内的Og位置；调节水浴22对悬浮腔5进行温度控制，开始对悬浮 材料4 (即抗磁性的液态材料，本实施例为溶菌酶溶液)进行处理。通过计算机10及录像机 17的存储介质实时记录悬浮材料4处理全过程；利用样品收集皿24收集处理完毕后的材料， 再进行相关检测与分析。将悬浮腔5的温度控制在22°C下保温，数小时后即可观察到溶菌酶晶体的出现。实施例二、超导磁体内无容器失重悬浮状态下的石蜡熔化及凝固处理装置
本实施例与实施例一的装置结构基本相同，区别主要有U)釆用反射光对悬浮材料的 处理过程进行观察，即光源在超小型CCD的同侧；(2)采用热电致冷方式对处理材料的温度 进行控制，(3)采用升降悬浮腔的进样方式。本实施例采用反射光对不透光悬浮材料4的处理过程进行观察，由冷光源和光纤组成， 冷光源置于超导磁体19的外部，提供亮度可调的冷光源，光源通过光纤导出，进入超导磁体 19，并在光纤出射端部形成环状光源，包围超小型CCD摄像头15，透过悬浮腔5顶部透光片 3对不透明的悬浮材料4照明，为超小型CCD摄像头15提供观察用反射光。本实施例采用热电致冷控温技术，温度控制器6由热电致冷器件、控温电源、温度传感 元件、信号线、电源线构成。控温电源置于超导磁体19外，通过信号线、电源线与包围悬浮 腔5的热电致冷器件及温度传感元件连接，实现对悬浮腔5的温度控制。本实施例采用升降悬浮腔5的进样方式。在悬浮腔5进入超导磁体19之前，将石蜡样品 事先置于悬浮腔5底部。置入磁体实验腔l后，悬浮腔5可在磁体实验腔1中上下移动，通 过调节悬浮腔5在磁体实验腔1中的位置，即可实现固态石蜡样品的悬浮。通过对石蜡样品进行加热，在70。C下保温，可观察到样品的熔化过程。将温度降至室温， 可以观察到样品的凝固过程。
权利要求
1、磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，包括磁体实验腔、悬浮腔、进样控制器、温度控制器、视频采集器、照明光源和计算机，其特征在于磁体实验腔为位于磁体中心位置，方向垂直于地面的与室内空间相通的圆柱状空腔；磁体实验腔内有一悬浮腔，悬浮腔是一密闭空腔，0g位置位于悬浮腔内；温度控制器包围悬浮腔；进样控制器位于悬浮腔的下方并与悬浮腔相通；照明光源位于悬浮腔一端；视频采集器位于悬浮腔的上方，并与磁体外的计算机相连。
2、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的悬浮腔上端有透光片，其上方放置视频采集器，下端连接进样控制器。
3、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的进样控制器与悬浮腔相连，包括进样口、储液池及进样驱动单元；进样口从悬浮腔 下方插入，进入到悬浮腔内；储液池是与进样口相连的密闭容器；进样驱动单元与储液池 相连，釆用机械推进方式或气压或液压推进方式。
4、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的温度控制器采用循环水浴控温装置，温度控制器由水浴、控温水套及循环水管道构 成；水浴放置于磁体外，通过循环水管道与包围悬浮腔的控温水套连接。
5、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的温度控制器采用热电致冷器件控温装置，包括热电致冷器件、控温电源、温度传感 元件、信号线、电源线，控温电源置于磁体外，通过信号线、电源线与包围悬浮腔5的热 电致冷器件及悬浮腔内的温度传感元件连接。
6、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的温度探测器选用铂电阻或热电偶元件，置于悬浮腔的内壁。
7、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的视频采集器位于悬浮腔的上方，选用超小型CCD摄像头或加带显微镜头的图像采集 器件。
8、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的照明光源采用亮度和角度可调的冷光源，放置于悬浮腔的下部或上方。
9、 根据利用权利要求1所述的磁场中抗磁性材料的失重状态无容器处理装置，其特征在于 所述的悬浮腔内部下端有样品收集皿，为一圆形玻璃皿。
全文摘要
本发明公开了一种在大梯度强磁场中悬浮材料的装置，用于悬浮液态及固态的抗磁性材料，并使该材料处于密闭的、可加热致冷、温度可精确控制、可实时观察的密闭环境中，以实现对该材料在失重无容器悬浮状态下的处理。本发明装置包括悬浮腔5、进样控制器8、温度控制器6、视频采集器2等部分。悬浮腔5为密闭腔室，可防止外部环境对悬浮材料的污染，并可防止液态样品的挥发，此外，改变悬浮腔5在磁体实验腔中的位置，可实现预先放置于悬浮腔中的固态抗磁性样品的悬浮；进样控制器8可实现精确定量液态抗磁性样品的悬浮；温度控制器6可实现样品的加热与致冷，并能精确控制样品的处理温度；视频采集器2可实现样品处理过程的实时观察及记录。
文档编号C12N13/00GK101119086SQ20071001742
公开日2008年2月6日 申请日期2007年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者卢慧甍, 澎 商, 尹大川, 张卫菊, 施昭云, 施朝华, 李海生, 罗慧敏, 耿利强, 郭卫红, 韩王超 申请人:西北工业大学