本发明涉及一种玻璃微球的制作装置，特别是涉及一种硫系玻璃微球的制作装置。
背景技术：
工作于红外波段的微球谐振腔可应用于生物医学传感、军事遥感、和低阈值红外激光器等领域，因此越来越受到人们的关注。硫系玻璃在各个红外波段均具有良好的光学特性，因此逐渐成为制备红外光学微球谐振腔的常用材料。微球谐振腔的质量通常由其品质因数决定，主要受限于微球谐振腔的球形度、表面粗糙度、材料的散射/吸收损耗等因数。导入微球谐振腔的光能量在微球谐振腔内传输时损耗越小，其在腔内的存储时间就越长，品质因数就越高。因此通常希望实验制备的微球谐振腔具有良好的球形度及较低的表面粗糙度。
常用于硫系玻璃微球制备的工艺主要包括漂浮粉料熔融法以及二氧化碳激光器加热法。对比而言，二氧化碳激光器加热法的原理较为简单，微球制备质量也较高，但是一次只能制备一颗微球，加工效率较低且该缺陷无法改善。粉料熔融法具有加工效率高、成本低等优势，但由于现阶段用于实现粉料熔融法的炉具一般都没有精密的计时机制，导致在微球制备过程中无法对微球熔制炉具的工作状态进行监控，进而也无法更好地提高微球的质量。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有计时功能的硫系玻璃微球制作装置，能够对微球的制作的状态进行监控，进而提高硫系玻璃微球制作的质量。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种带计时功能的硫系玻璃微球制作装置，包括位于顶端的漏斗和与漏斗底端相连的竖直的石英管，所述石英管插入位于一加热炉的炉腔内，并且其底端伸出于加热炉插入至一收集装置，所述收集装置位于冷却装置内并且冷却装置内充满冷却液，所述冷却液包裹该收集装置，其特征在于：所述漏斗的底端与石英管之间设有开关用于控制漏斗内的玻璃粉料向石英管掉落，所述石英管的上部通过一连接管连接至储气瓶，所述储气瓶内储存惰性气体，所述加热炉的炉腔的上下两端分别设有第一检测装置和第二检测装置，用于检测玻璃粉料在炉腔内的实际加热时间。
优选地，所述第一检测装置包括分别位于石英管的上部相对两侧的第一激光器和第一探测器，所述第一探测器用于接收第一激光器发出的激光；
所述第二检测装置包括分别位于石英管的下部相对两侧的第二激光器和第二探测器，所述第二探测器用于接收第二激光器发出的激光；
所述第一探测器和第二探测器均连接至后端的处理模块。
优选地，所述第一检测装置还包括设于第一探测器接收端的第一接收透镜，和位于第一激光器出射端的第一发射透镜，所述第一激光器、第一发射透镜、第一接收透镜和第一探测器光轴同轴设置。
优选地，所述第二检测装置还包括设于第二探测器接收端的第二接收透镜，和位于第二激光器出射端的第二发射透镜，所述第二激光器、第二发射透镜、第二接收透镜和第二探测器光轴同轴设置。
为了便于数据处理，该处理模块包括数据采集卡，与数据采集卡连接的计算机，所述第一探测器和第二探测器均分别连接至所述数据采集卡。
作为该装置的一个实施例，当石英管中没有玻璃粉料掉落时，第一探测器和第二探测器均测得恒定的激光数据，当石英管中有玻璃粉料掉落时，玻璃粉料在重力作用下穿过两个激光器发出的光束，激光光束受到掉落粉料的阻挡，穿过石英管的光强有所减弱，第一探测器测得一个减弱信号一段时间之后，第二探测器也测得一个减弱信号，这两个减弱信号的时间差即为玻璃粉料穿过炉腔所需要的时间，即为玻璃粉料在加热炉内的实际加热时间。
为了便于气体排出，所述收集装置还设有一气体出口。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明提供一种带计时功能的硫系玻璃微球制作装置，能够精确测得硫系玻璃微球在制作中的加热时间，不但可以通过调节加热时间对硫系玻璃微球的质量进行提升，而且还能够对该制作装置进行监控，防止工作状态出现异常。
附图说明
图1为本发明实施例的带计时功能的硫系玻璃微球制作装置的示意图。
图2为本发明实施例的带计时功能的硫系玻璃微球制作装置的计时信号示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的带计时功能的硫系玻璃微球制作装置，包括漏斗1，位于漏斗1底部的开关2，以及与漏斗1底端连接的石英管3，该石英管3竖直设置，并且插入位于加热炉4的炉腔内，石英管3的底端从加热炉4伸出并且插入至一收集装置5内，该收集装置5位于冷却装置6内。冷却装置6内填充冷却液22并且该冷却液22包裹该收集装置5，用于对收集装置5内的微球进行快速冷却。该收集装置5还设有一气体出口，用于排出内部的惰性气体以及玻璃粉料加热产生的废气。
该石英管3为竖直设置的管状部件，开关2位于漏斗1的底端与石英管3之间用于控制漏斗1内的粉料向石英管3掉落。石英管3的上部一侧通过一连接管12连接至储气瓶7，该储气瓶7内用于储存惰性气体，例如氩气。该加热炉4长度为400cm，内装有绕圈镍铬电阻丝，可长时间将炉腔内的温度加热到1100℃以上。石英管3的长度约为1m。
该石英管3的上部横向设有第一检测装置，该第一检测装置包括分别位于石英管3的上部相对两侧的第一激光器8和第一探测器15，第一探测器15的接收端还设有第一接收透镜13，第一激光器8的出射端设有第一发射透镜10，第一激光器8、第一发射透镜10、第一接收透镜13和第一探测器15光轴同轴设置，第一探测器15用于接收第一激光器8发出的激光。
该石英管3的下部横向设有第二检测装置，该第二检测装置包括分别位于石英管3的下部相对两侧的第二激光器9和第二探测器16，第二探测器16的接收端设有第二接收透镜14，第二激光器9的出射端设有第二发射透镜11，第二激光器9、第二发射透镜11、第二接收透镜14和第二探测器16的光轴同轴设置，第二探测器16用于接收第二激光器9发出的激光。
该第一、第二检测装置均连接至后端的处理模块。该处理模块包括数据采集卡20，与数据采集卡20通过数据线19连接的计算机21，该数据采集卡20与第一探测器15通过第一数据线17连接，并且同时与第二探测器16通过第二数据线18连接。上述第一检测装置和第二检测装置分别位于加热炉的炉腔的上下两端位置，因此，通过第一检测装置和第二检测装置用于检测加热炉的实际加热时间。
制备时先将储气瓶7内的惰性气体通过连接管12注入石英管3内，形成惰性气体保护氛围。持续注入惰性气体5分钟后，打开第一激光器8和第二激光器9，并通过第一探测器15、第二探测器16分别测量穿过石英管3的激光强度。控制数据采集卡20对探测器同步，进行连续数据采集，并输出到计算机21中实时观测第一探测器15和第二探测器16的测量数据。开始时，石英管3内没有粉料掉落，因此两个探测器测得的激光强度数据应为一恒定的数据，代表了两个激光器的原始输出光强。再将硫系玻璃粉料装入漏斗1，打开开关2并迅速关上，此时硫系玻璃粉料在重力作用下就会掉入石英管3内，并穿过扩束后的激光器发出的光束，光束受到掉落粉料的阻挡，穿过石英管3的激光器光强有所减弱。第一探测器15测得一个减弱信号一段时间之后，第二探测器16也测得一个减弱信号。这两个减弱信号的时间差即为玻璃粉料穿过炉腔所需要的时间，即为粉料在石英管3内的实际加热时间。加热时间信号测量情况如图2所示。加热时间可以是两个探测器探测到的减弱信号的起点之间的时间差，也可以是最小值之间的时间差，例如图2所示，也可以是减弱信号的终点之间的时间差。
采用漂浮粉末熔融法制备硫系玻璃微球，需要对硫系玻璃粉末的加热时间进行优化设计。加热炉的炉腔即为该制作装置的加热区，如果硫系玻璃粉末通过的加热区的时间过长，大量的熔融状态下的玻璃粉料在石英管内较为复杂的气流环境下会长时间相互碰撞而聚集成团，导致成球率低，成球质量差；如果通过加热区时间过短，大量的硫系玻璃玻璃粉料将得不到充分的加热而直接掉入到位于石英管底部的收集装置中，造成球形度差的问题。因此，探测得到玻璃微球的加热时间，并对加热时间进行控制和优化，会大大提升硫系玻璃微球的制造质量。
可通过提升炉腔温度来增加微球的加热时间，炉腔温度的提升会引起位于炉腔内的石英管3内部惰性气体形成更加剧烈的“烟囱效应”，促进热气流的由下向上运动，对下落微球形成更大的阻力作用，从而迟滞微球的下坠趋势。也可通过提升惰性气体流速来减小微球的加热时间，因为惰性气体的出气口位于石英管3的上端，注入的惰性气体未经加热，温度为室温，约20℃，由于开关2在玻璃粉料掉落后被迅速关闭，因此惰性气体主要通过位于石英管3底部的收集装置的出气口排出石英管，因此在石英管内形成由上往下的气流方向。注入的惰性气体冷气流越多、流速越快，由上往下的冷气流的流动趋势就越能抑制由下往上的“烟囱效应”热气流，并带动粉料快速通过加热区，减小粉料的加热时间。同时，注入越多的冷气流也可引起炉腔的温度降低，进一步抑制“烟囱效应”热气流。因此，在知道该装置现有的加热时间的前提下，可以通过上述两个方式方法来调节加热时间，以提升硫系玻璃微球的质量。
以往的硫系玻璃微球熔制炉具往往不具备计时功能，无法精确测量粉料在石英管内的加热时间。而且我们无法通过理论的方式计算出硫系玻璃粉料在炉腔内的加热时间。这是因为粉料在石英管内不止受到重力作用形成由高往低的自由落地运动，而且受到石英管内高速注入的惰性气体以及受热后惰性气体形成的向上的热气流的作用，这些作用都会对玻璃粉料的自由落体运动产生影响，从而使得微球在炉腔内的加热时间无法简单地通过力学原理计算得出。
在这种情况下，当制备装置的工作状态出现肉眼不可见的异常，比如石英管温度出现波动、惰性气体流速出现变动、或是废气排出管道出现堵塞等，而导致微球的制备质量出现异常时，我们也无法及时得到信息反馈。
因此本发明提出的一种带计时功能的硫系玻璃微球制作装置，通过第一检测装置和第二检测装置精确获得硫系玻璃粉料在通过该装置的加热区时所需要的时间，即测得硫系玻璃粉料的加热时间。如果微球制备的工艺参数没有改变时出现微球加热时间的变化，即可判断微球熔制炉腔的工作状态出现异常，应立即停止制备工作并对炉腔进行维护检修。
本发明提供的一种带计时功能的硫系玻璃微球制作装置，能够精确测得硫系玻璃微球在制作中的加热时间，不但可以通过调节加热时间对硫系玻璃微球的质量进行提升，而且还能够对该制作装置进行监控，防止工作状态出现异常。