专利名称：空间水溶液晶体生长原位实时观察装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间科学、微重力科学和空间材料科学，特别是涉及空间晶体生长技术和原位实时观察装置。
自从二十世纪七十年代以来，在微重力条件下，前苏联、美国和中国已进行过几次水溶液晶体的空间生长。第一代水溶液晶体生长装置不具备原位实时观察功能，如
图1所示。该装置只能在空间生长单晶体，不能获得晶体生长过程中的实时信息。第二代装置是把水溶液晶体生长设备和激光全息设备结合在一起。该装置虽然具备原位实时观察功能，但使用胶片记录图像，再现图像很麻烦，而且图像质量也难保证。目前，日本、欧洲共同体和美国正在研制第三代装置，它综合水溶液晶体生长技术、激光干涉技术和图像处理技术，如图2所示为日本正在研制的第三代水溶液晶体生长装置。
为了达到上述目的，本发明提供一种空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，本发明装置由8个主要部件组成1)结晶器；2)贮液器；3)加热器；4)温度控制仪；5)循环泵；6)激光干涉仪；7)图像采集组件；8)图像记录组件。
1)结晶器结晶器的实物照片和设计图如图3和图4所示。
它是由特殊金属材料加工而成的封闭容器，呈圆柱状结构。它的两个侧面各开一个孔，镶嵌一对光学平面玻璃，以使激光束通过结晶器。它的功能是生长单晶体。
2)贮液器贮液器的实物照片和设计图也如图3和图4所示。
它也是由特殊金属材料加工而成的封闭容器，呈圆柱状结构。它的功能是贮存饱和状态的生长溶液。
3)加热器它是由电热丝和特殊耐热材料加工而成的加热体，呈圆盘状薄膜结构。它的功能是提供结晶器和贮液器的热源。
4)温度控制仪它是由计算机芯片和电子元件研制而成的仪器，呈长方体结构。它的功能是控制结晶器和贮液器的温度，使空间晶体生长实验在予先设定温度下进行。
5)循环泵它是一台微型磁耦合泵，特殊市场产品。它的功能是使饱和溶液在结晶器和贮液器之间来回输运。
6)激光干涉仪它是由半导体激光器、分光器、光学准直和扩束装置、光学补偿装置以及反射镜组成的光学干涉系统。激光干涉仪的实物照片和设计示意图如图5和图6所示。它的功能是观察和记录固/液生长界面的浓度场和界面形态。
7)图像采集组件它是由远距光学显微放大系统和CCD构成的光学组件。它的功能是采集光学干涉图像。
8)图像记录组件它是由摄像机、录像机和图像记录控制器构成的组件。它的功能是记录和存储干涉图像。
本发明装置同时实施两个工作过程晶体生长过程和原位实时观察过程。
结晶器是由特殊金属材料加工而成的封闭容器，呈圆柱状结构，置于贮液器的下方，它的侧面开有两个孔，各镶嵌一光学平面玻璃，以使激光束通过结晶器，它的功能是生长单晶体。
贮液器是由特殊金属材料加工而成的封闭容器，呈圆柱状结构，其直径大于结晶器的直径，并与结晶器同轴心地置于结晶器的上方，它的功能是贮存饱和状态的生长溶液。
加热器是由电热丝和特殊耐热材料加工而成的加热体，呈圆盘状薄膜结构，设置于结晶器与贮液器内，它的功能是提供结晶器和贮液器的热源。
温度控制仪是由计算机芯片和电子元件研制而成的仪器，呈长方体结构，与加热器相连，并连接有复数个温度传感器，这些温度传感器分别置于结晶器与贮液器中，它的功能是控制结晶器和贮液器的温度，使空间晶体生长实验在予先设定的温度下进行。
循环泵是一台微型磁耦合泵，特殊市场产品，置于结晶器与贮液器之间，它的功能是使饱和溶液在结晶器和贮液器之间来回输运。
激光干涉仪是由半导体激光器、分光器、光学准直和扩束装置、光学补偿装置以及反射镜组成的光学干涉系统，置于结晶器与贮液器的外围，激光束由结晶器侧面开的两个孔中之一射入结晶器，垂直投射到单晶体的晶面上，并由另一孔射出，它的功能是观察和记录固/液生长界面的浓度场和界面形态。
图像采集组件是由远距光学显微放大系统和CCD构成的光学组件，设置于干涉光路上，它的功能是采集光学干涉图像。
图像记录组件是由摄像机、录像机和图像记录控制器构成的组件，与图像采集组件连接，设置于图像采集组件末端，它的功能是记录和存储干涉图像。
本发明装置的实施方式是在地面上先将配制的过饱和母液注入贮液器内，当空间飞行器进入微重力状态后，通过微型磁耦合泵，将母液泵入结晶器内。加热器和温度控制仪则使贮液器和结晶器的温度控制在设定温度内。激光干涉仪则使物光(通过结晶器)和参考光发生干涉，产生干涉条纹。通过图像采集和记录系统，对晶体生长过程进行原位实时观察。
本发明装置同时实施两个工作过程晶体生长过程和原位实时观察过程。具体操作规程如下(a)晶体生长过程(1)根据晶体类型，配制过饱和的晶体生长母液，并注入贮液器内，见图3和图4[1]；(2)将籽晶放置到结晶器(见图4[20])内的籽晶盘(见图4[11])下端；(3)启动加热器系统，通过4个温度传感器(见图4[3，28，29，30])，使贮液器内的温度保持在设定温度；
(4)当空间飞行器进入微重力状态后，启动循环泵，通过吸液/排液嘴将贮液器内的母液吸入结晶器中，届时，置于结晶器内过饱和母液中的籽晶体开始生长。
(5)晶体生长实验完成后，重新启动循环泵，将剩余母液从结晶器中排到贮液器内。
(b)原位实时观察过程如图6所示，半导体激光器(Las)发出的光源，经过扩束器E和非球面透镜L的准直后，成为平行传播的光束。通过反射镜M1和M2，进入光学干涉系统。半透半反镜BS1将光束分为物光和参考光两部分。物光由M3反射后直接进入结晶器，并垂直投射到单晶体S的晶面上。该光束穿过晶体和结晶器后，入射到另一半透半反透镜BS2。参考光被BS1反射后，通过补偿光路C到达反射镜M4，从而在半反射镜BS2处与物光汇合。汇合合成的干涉光束又分成两部分。一部分由反射镜M5向上反射，进入高倍放大率的图像记录系统L1-CCD1，另一部分由反射镜M7向上反射，进入低倍放大率的图像记录系统L2-CCD2，将所得到的信息经处理后，即得到晶体生长全过程的实时监控图像。
本发明装置与已有装置比较，存在以下的特点1.有明显的先进性---我国从事空间水溶液晶体空间生长的单位，只有中国科学院物理研究所，我们已搭载我国人造卫星在空间生长了α-LiIO3单晶体；我们研制的第一代空间水溶液晶体生长装置，已获专利(专利号ZL 00 2 00853.X)，但不具有原位实时观察功能。
---前苏联和美国研制的第二代激光全息型空间水溶液晶体生长装置，已过时。
---日本正在研制的第三代水溶液晶体生长装置，虽然具有原位实时观察功能，将来可应用于未来的国际空间站，但尚未完成。
2.有独特的新颖性---本发明装置结构与设计思路与日本正在研制的装置完全不同。日本设计思路是单纯从事空间晶体生长的基础理论研究，因而结晶器的容量很小，变焦范围不大，本发明装置结构设计采用大容量结晶器，同时设计两套图像记录系统，所以，既可生长大单晶体，又可从事空间晶体生长的基础理论研究。
3.经多次使用，取得良好的效果---本发明装置已进行多次实验，成功生长出NaClO3单晶体，获得了多幅干涉图像。
权利要求
1.一种空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，由结晶器；贮液器；加热器；温度控制仪；循环泵；激光干涉仪；图像采集组件；图像记录组件等八个主要部件组成，其同时实施两个工作过程晶体生长过程和原位实时观察过程。
2.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，结晶器是由特殊金属材料加工而成的封闭容器，它的侧面开有两个孔，各镶嵌一光学平面玻璃，以使激光束通过结晶器；它的功能是生长单晶体。
3.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，贮液器是由特殊金属材料加工而成的封闭容器，其直径大于结晶器的直径，它的功能是贮存饱和状态的生长溶液。
4.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，加热器是由电热丝和特殊耐热材料加工而成的加热体，呈薄膜结构，它的功能是提供结晶器和贮液器的热源。
5.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，温度控制仪是由计算机芯片和电子元件研制而成的仪器，它的功能是控制结晶器和贮液器的温度，使空间晶体生长实验在予先设定的温度下进行。
6.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，循环泵是一台微型磁耦合泵，特殊市场产品，置于结晶器与贮液器之间，它的功能是使饱和溶液在结晶器和贮液器之间来回输运。
7.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，激光干涉仪是由半导体激光器、分光器、光学准直和扩束装置、光学补偿装置以及反射镜组成的光学干涉系统，它的功能是观察和记录固/液生长界面的浓度场和界面形态。
8.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，图像采集组件是由远距光学显微放大系统和CCD构成的光学组件，它的功能是采集光学干涉图像。
9.根据权利要求1所述的空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，其特征在于，图像记录组件是由摄像机、录像机和图像记录控制器构成的组件，它的功能是记录和存储干涉图像。
全文摘要
本发明一种空间水溶液晶体生长原位实时观察装置，是第三代空间晶体生长实验装置，该装置既可在空间微重力条件下，从水溶液中生长单晶体，又可实时原位观察固/液生长界面的浓度场和界面形态变化；本发明装置，由结晶器；贮液器；加热器；温度控制仪；循环泵；激光干涉仪；图像采集组件；图像记录组件等八个主要部件组成，其结构设计采用大容量结晶器，同时设计两套图像记录系统，所记录的晶体生长原位实时观察资料，可供空间晶体生长的基础理论研究。
文档编号C30B7/00GK1478927SQ0214188
公开日2004年3月3日 申请日期2002年8月27日 优先权日2002年8月27日
发明者陈万春, 方竞, 马文漪, 陈国幼, 刘道丹, 沈蕴雪 申请人:中国科学院物理研究所