专利名称：静电悬浮熔炼炉及利用静电悬浮熔炼炉熔融样品的方法
技术领域：
本发明涉及一种静电悬浮熔炼炉，所述静电悬浮熔炼炉用于通过在各电极间产生的静电场使一个装料的样品处于一种悬浮状态，并对样品实施加热过程。
背景技术：
在一种常规技术中，众所周知一种静电悬浮熔炼炉，其中一对主电极定位在一个扁平而近似是圆筒形的真空室中的Z轴线上，并且还将一对辅助电极各定位在x轴和Y轴上，上述Z轴相应于真空室的轴线，而上述X轴和Y轴与Z轴垂直。
静电悬浮熔炼炉装入样品，所述样品通过电极接触、紫外线照射，或者事先加热放在两主电极之间，通过在主电极之间所产生的静电场将样品放置成处于悬浮状态，而同时通过控制各主电极之间或辅助电极之间的电位使样品保持在预定位置，将激光束照射在样品上以便加热和熔化样品。冷却和固化以这种方式加热和熔化的样品，能产生一些处于排除外界干扰的状态(亦即处于避免使用容器的状态)的晶体。
上述常规静电悬浮熔炼炉具有熔化保持处于悬浮状态的一个样品的功能，但没有保持悬浮时熔化两个或多个样品的功能，因为用一个静电场不能使多个样品处于悬浮状态。
作为除了上述静电悬浮熔炼炉之外的一种静电悬浮熔炼炉，众所周知的是一种用电磁学方法悬浮样品的电磁悬浮熔炼炉。例如，当利用上述电磁悬浮熔炼炉将两个样品熔融在一起时，将两个样品在叠加的情况下加热，由于电阻不同而首先熔化的样品粘附到还未熔化的样品上，然后将两个样品作为一个单元悬浮，并作为一个整体熔化以便熔融在一起。由于这个原因，有一个问题是这种熔融不认为是在排除外部干扰的状态下(亦即，在避免使用容器的状态下)的熔融，并且还有另外一个问题是两个样品中每个样品的温度不能单独调节。
可近似地说，很显然，即使采用电磁悬浮熔炼炉，也极难以使非导体熔融，因为非导体只有在熔化时才悬浮。这是解决这些问题的主题。
发明内容
本发明根据在常规技术中存在的问题而提出，并且本发明的目的是提供一种静电悬浮熔炼炉，所述静电悬浮熔炼炉例如当将两个样品熔融在一起时，不管样品是否是导体，都能使各样品单独熔化而同时悬浮它们，并能将各样品熔融在一起而同时分别保持各样品的温度，随后在排除外部干扰的状态下实施熔融，也提供一种用静电悬浮熔炼炉将多个样品全部熔融在一起的方法。
本发明提供了一种静电悬浮熔炼炉，包括一个真空室；多个主电极，上述多个主电极在真空室内彼此相对；辅助电极，所述辅助电极将一个由于在主电极之间产生的静电场而悬浮的样品移动到一个预定的位置；及一个激光辐照器，所述激光辐照器将一个激光束照射在位移到预定位置的样品上以便熔化样品，其中多个主电极在垂直方向上以适当的间隔安排，以便分别在相邻的主电极之间形成产生静电场的空间，各辅助电极安排成与每个产生静电场的空间相对应，各激光辐照器将位于最上面的主电极上方和位于最下面的主电极下方的两个安排成同轴式彼此相对，及位于最上面和最下面的主电极之间的中间主电极在激光束的光路上具有一个通孔，样品可以通过上述通孔。
在本发明的优选实施例中，提供了一种静电悬浮熔炼炉，包括一个真空室；多个主电极，上述各主电极在真空室内彼此相对；辅助电极，所述辅助电极将一个由于在主电极之间产生的静电场而悬浮的样品移动到一个预定的位置；及激光辐照器，所述激光辐照器将激光束照射在位移到预定位置的样品上以便熔化样品，其中形成产生静电场的空间的多对主电极安排成在一垂直方向上堆叠，各辅助电极安排成与每个产生静电场的空间相对应，激光辐照器安排在位于最上面的主电极上方和位于最下面的主电极下方安排成同轴式彼此相对，并且位于最上面和最下面的主电极之间的中间主电极在激光束的光路上具有一个通孔，样品可以通过上述通孔。
另一方面，提供了一种供用静电悬浮熔炼炉把多个样品熔融在一起的方法，上述方法使用按照本发明的静电悬浮熔炼炉将多个样品熔融在一起，所述的方法包括一个用于产生静电场的空间中的一个空间将第一样品悬浮在一个激光束的光路上，随后将来自一个主电极侧的激光辐射器的激光束照射在第一样品上，以便熔化样品的步骤；一个用于当通过激光束照射在第一样品上悬浮保持处于熔化状态的第一样品时，在另一个产生静电场的空间中将一第二样品悬浮在激光束的光路上，随后将来自另一个主电极侧的激光辐照器的激光束照射在第二样品上，以便熔化样品的步骤；一个用于通过位于中间的主电极通孔，将位于各产生静电场的空间的上面空间中的样品从上面产生表电场的空间移动到下面产生静电场的空间，上述各产生静电场的空间分别悬浮熔化状态的第一和第二样品，而同时控制样品的温度，位置，和下落速度，随后在样品悬浮状态下将熔化状态的各样品熔融在一起的步骤；一个用于停止照射从上面和下面激光辐照器发出的激光束，以便使由第一和第二样品形成的熔融体固化，接着将熔融体移动在下面产生静电场的空间中一个预定位置处的步骤，其中通过上述步骤将多个样品全都熔融在一起。
本发明的静电悬浮熔炼炉具有多个产生静电场的空间，并且各辅助电极与每个产生静电场的空间相对应。这样能在每个产生静电场的空间中悬浮和移动多个样品。从分别放在最上面和最下面的主电极侧的各激光辐照器把激光束照在每个悬浮于产生静电场空间中的样品上，能熔化单独悬浮的样品，并保持各样品的温度。在上述情况下，将位于上面的样品在控制样品的温度和下落速度情况下，从上面产生静电场的空间向下移动，穿过中间主电极的通孔移动到下面的产生静电场的空间，然后将熔化状态的样品在保持悬浮时熔融在一起。
因为多个样品在熔融在一起之前各自悬浮在每个产生静电场的空间中，例如，为了得到样品的位置信息，设置一个摄象装置以便延伸到两个相邻的产生静电场的空间，一个摄像装置可以单独地和相应地给一个产生静电场的空间中的样品摄象和给另一个产生静电场的空间中的样品摄象，因此没有必要设置象产生静电场的空间那样多的摄象装置。这样能减少静电悬浮熔炼炉的尺寸。
在本发明更优选的实施例中，静电悬浮熔炼炉具有下述功能当一个摄象装置设置成延伸到相邻的产生静电场的空间时，用一个CMOS摄象机或者CCD摄象机单独地给多个样品摄象；及通过实施数字图象处理器的图案处理，以约1KHz的高速下对各样品的位置信息取样。
上述结构适合于用本发明的静电悬浮熔炼炉来将多个样品熔融在一起的方法，所述方法能熔化多个样品而同时使它们单独悬浮，并能将多个样品熔融在一起而同时保持每个样品的温度。
图1是示出本发明的静电悬浮熔炼炉一个实施例的主电极和辅助电极的配置的示例图；图2是图1所示静电悬浮熔炼炉的示意的剖视图；图3是图1所示静电悬浮熔炼炉的示意垂直剖视图；图4A-4D是利用图1所示的静电悬浮熔炼炉来将两个样品熔融在一起的各步骤过程示例图；图5是示出本发明的静电悬浮熔炼炉另一个实施例的示意垂直剖视图。
具体实施例方式
下面将参照
本发明。应该理解，本发明的静电悬浮熔炼炉的详细结构不限于仅是下面的实施例。
图1-4示出本发明的静电悬浮熔炼炉的一个实施例。如图1-3所示，静电悬浮熔炼炉1装备有一个真空室2(仅在图2中示出)，多片(在这个实施例中是3片)圆盘形主电极3，所述多片圆盘形主电极3在真空室2内的垂直方向上以5-10mm的间隔设置，其中相邻主电极3和3之间的空间定义为产生静电场的空间A。
静电悬浮熔炼炉1设有辅助电极4和激光辐照器5，上述辅助电极4通过在主电极3和3之间的产生静电场的空间A中所产生的静电场将悬浮的样品S移位到一个预定的位置(在穿过主电极3中心的P轴线上)，而上述激光辐照器5把一个激光束La照射到位移到预定位置的样品S上，以便熔化样品。
若干辅助电极4成对安排在每个Q轴线和R轴线上，上述Q轴线和R轴线在一个与主电极3安排方向垂直的一个平面上，亦即在一个与P轴线垂直的平面上相互成直角交叉。激光辐照器5安排在一个最上面主电极(亦即，一个主电极)的上侧3U及一个最下面的主电极(亦即，另一个主电极)的下侧3L，以便该两个激光辐照器在P轴线上彼此相对。
在这种情况下，最上面的主电极3U和最下面的主电极3L分别与高速和高电压放大器6连接，而最上面主电极和最下面主电极之间的中间主电极3C具有一个通孔3a，样品S可以在P轴线穿过的通孔的中心处，亦即在对应于激光束La光路上的中心处穿过上述通孔3a。
静电悬浮熔炼炉1设有一个摄象装置10，所述摄象装置10设置成延伸到两个产生静电场的空间A和A。摄象装置10包括CCD(电荷耦合器件)摄象机11或CMOS(互补型金属氧化物半导体)摄象机，一个金属卤化物光源12，和一个数字信号处理器(未示出)，上述摄象机11在产生静电场的空间A和A中给单独悬浮的样品S和S摄象，上述金属卤化物光源12安放在一个样品S的与CCD摄象机11相对侧上，并用波长为400-450nm的光束照射在一个样品S上，以便起一种背景光源的作用，而上述数字信号处理器实施加强由CCD摄象机实时摄取的图象边缘的图象处理，并输出悬浮的样品S的重心位置。两组摄象装置10安排成相互垂直。
图1和图3中的标号3b代表样品放置点。
下面，将说明用具有上述构造的静电悬浮熔炼炉1来把样品熔融在一起的操作程序。
在图4A所示的第一步骤中，在装入第一样品S1(S)之后，所述第一样品S1(S)放入产生静电场的界面A中，该产生静电场的界面A位于两个界面A的下面界面A处，而同时通过在主电极3C和3L之间产生静电场的空间A中所产生的静电场将一个样品S1放成一种悬浮状态，通过控制主电极3C和3L之间及辅助电极4和4之间的电位差使样品S1位移并保持在一个预定的位置P处，然后，在这种状态下，用来自下面激光辐照器5的激光束La照射第一样品S1，以便使第一样品S1熔化。
在图4B所示的第二步骤中，当把第一样品S1悬浮在预定位置P处时，装入一个第二样品S2(S)，上述第一样品通过把激光束La照射在样品上保持处于熔融状态，而上述第二样品S2(S)放入上面产生静电场的空间A中。随后通过在主电极3C和3U之间产生静电场的空间中所产生的静电场，把第二样品S2放成处于悬浮状态，通过控制主电极3C和3U之间及辅助电极4和4之间的电位差，使样品S2位移并保持在预定的位置P处，并用来自上面激光辐照器5的激光束La照射第二样品S2，以便使第二样品S2熔化。
在图4C所示的第三步骤中，将第二样品S2穿过中间主电极3C的通孔3a从悬浮样品S2的上面产生静电场的空间A移到下面产生静电场的空间A，同时控制样品S2的温度，位置，和下落速度，并将处于熔化状态的样品S1和S2在保持处于悬浮状态下熔融在一起。
在第四步骤中，停止从上面和下面激光辐照器5和5照射激光束La，使第一样品S1和第二样品S2产生的熔融体S’固化，并通过控制主电极3C和3L之间及辅助电极4和4之间的电位差在下面产生静电场的空间A中的样品放置点3b处取出样品S1。
在上述各步骤中，通过在两组相互垂直设置的摄象装置10上的每个CCD摄象机11单独给样品S1和S2摄象，上述两组摄象装置10延伸到两个产生静电场的空间A和A，及在约1KHz的高速下通过在数字信号处理器中实施图象处理给样品S1和S2中每一个的位置信息取样，总是能识别样品S1和S2的位置。
如上所述，实施例的静电悬浮熔炼炉1和利用所述静电悬浮熔炼炉1将样品熔融在一起的方法，具有熔化保持各自悬浮的样品S1和S2的功能，而不管样品S是否是导体，及把样品S1和S2熔融在一起而同时保持每个样品的温度的功能，因此达到在避免使用容器的状态下熔融样品S1和S2。
在静电悬浮熔炼炉1中，因为样品S1和S2各自悬浮在每个产生静电场的空间A和A中，第一样品S1和第二样品S2可以用两组摄象装置10和10单独摄象，所述两组摄象装置10和10设置成延伸到相互垂直的产生静电场的空间A和A，所以整个静电悬浮熔炼炉通过减少摄象装置数量来减小尺寸，并能高速分别对悬浮在两个产生静电场的空间A和A中的每个样品S1和S2的位置信息取样。
上述实施例表明这种情况，亦即将引入两个产生静电场的空间中下面空间A的第一样品S1熔化，和随后将引入上面产生电场的空间A的样品S2熔化，然而，也可以是引入上面产生静电场的空间A中的第二样品S2首先熔化或者两个样品S1和S2同时熔化。
图5示出本发明的静电悬浮熔炼炉的另一个实施例。这个实施例的静电悬浮熔炼炉21与前面实施例的静电悬浮熔炼炉1不同之处在于，两对主电极23和23，每对主电极23和23都形成一个产生静电场的空间A，上述两对主电极23和23分层，在垂直方向上夹有绝缘层27，高速高压放大器6分别连接到主电极23上，并在绝缘层27中设置一个通孔27a，所述通孔27a具有与设置在中间主电极23中的通孔23a大致相等的尺寸。这个实施例的静电悬浮熔炼炉的其它构造与上述实施例的静电悬浮熔炼炉的构造相同。
静电悬浮熔炼炉21也具有下述功能，即不管样品S是否是导体，都熔化各自悬浮的样品S1和S2，并把样品S1和S2熔融在一起而同时分别保持各样品的温度，因此能在避免使用容器的状态下将样品S1和S2熔融在一起。因为各高速高压放大器6分别连接到主电极23上，所以能在不用具有高峰值电压的放大器(例如，一种具有峰值电压为20KV的放大器)情况下产生一种具有高压电位的静电场，亦即，能用一种具有低峰值电压的放大器(例如，一种具有峰值电压为10KV的放大器)产生一种具有高压电位的静电场，上述情况能简化一个系统。
上述两个实施例表明这种情况，即形成两个产生静电场的空间A，并将两个样品S1和S2熔融在一起，但本发明不限于这种情况。通过安排多个主电极3和23来形成多个产生静电场的空间A及随后将相当于这些产生静电场的空间A总量的多个样品S熔融在一起是可行的。
工业适用性如上所述，按照本发明的静电悬浮熔炼炉及利用所述静电悬浮熔炼炉将多个样品全都熔融在一起的方法，例如，当把两个样品熔融在一起，而不管各样品是否是导体时，能将各自悬浮的样品熔化，及使各样品熔融在一起而同时保持每个样品的温度，并可以得到十分显著的优点，即在排除外部干扰的状态下，亦即在避免使用容器的状态下实现熔融。
例如，只通过将一种用于得到样品位置信息的摄象装置安装成延伸到两个相邻的产生静电场的空间，就可以单独给一个产生静电场的空间中的样品和另一个产生静电场的空间中的样品摄象，因此得到一个十分显著的优点，即可以实现减小静电悬浮熔炼炉的尺寸，因为它不必安装对应于产生静电场的空间总数的摄象装置。
在本发明的一个更优选的实施例中，得到一个十分显著的优点，即实现减小整个静电悬浮熔炼炉的尺寸，此外可以对分别悬浮在多个产生静电场的空间中的每个样品位置信息高速取样。
权利要求
1.一种静电悬浮熔炼炉，包括一个真空室；多个主电极，上述多个主电极在真空室内彼此相对；辅助电极，所述辅助电极将一个由于在主电极之间产生的静电场而悬浮的样品移动到一个预定的位置；及一个激光辐照器，所述激光辐照器将一个激光束照射在位移到预定位置的样品上以便熔化样品，其中多个主电极在垂直方向上以适当的间隔安排，以便分别在相邻的主电极之间形成产生静电场的空间，各辅助电极安排成与每个产生静电场的空间相对应，各激光辐照器将位于最上面的主电极上方和位于最下面的主电极下方的两个安排成同轴式彼此相对，及位于最上面和最下面的主电极之间的中间主电极在激光束的光路上具有一个通孔，样品可以通过上述通孔。
2.一种静电悬浮熔炼炉，包括一个真空室；多个主电极，上述各主电极在真空室内彼此相对；辅助电极，所述辅助电极将一个由于在主电极之间产生的静电场而悬浮的样品移动到一个预定的位置；及激光辐照器，所述激光辐照器将激光束照射在位移到预定位置的样品上以便熔化样品，其中形成产生静电场的空间的多对主电极安排成在一垂直方向上堆叠，各辅助电极安排成与每个产生静电场的空间相对应，激光辐照器安排在位于最上面的主电极上方和位于最下面的主电极下方安排成同轴式彼此相对，并且位于最上面和最下面的主电极之间的中间主电极在激光束的光路上具有一个通孔，样品可以通过上述通孔。
3.按照权利要求1或2所述的静电悬浮熔炼炉，其特征在于包括摄象装置，所述摄象装置包括给样品摄象的CMOS摄象机或CCD摄象机；背景光源，所述背景光源将一束光照射在样品上；及一个数字信号处理器，所述数字信号处理器实施图象处理，实时增强图象的边缘，并输出一个在悬浮状态放置的样品的重心位置，以便延伸到相邻的产生静电场的空间。
4.一种供用静电悬浮熔炼炉把多个样品熔融在一起的方法，上述方法使用按照权利要求1-3中任一项所述的静电悬浮熔炼炉将多个样品熔融在一起，所述的方法包括一个用于产生静电场的空间中的一个空间将第一样品悬浮在一个激光束的光路上，随后将来自一个主电极侧的激光辐射器的激光束照射在第一样品上，以便熔化样品的步骤；一个用于当通过激光束照射在第一样品上悬浮保持处于熔化状态的第一样品时，在另一个产生静电场的空间中将一第二样品悬浮在激光束的光路上，随后将来自另一个主电极侧的激光辐照器的激光束照射在第二样品上，以便熔化样品的步骤；一个用于通过位于中间的主电极通孔，将位于各产生静电场的空间的上面空间中的样品从上面产生表电场的空间移动到下面产生静电场的空间，上述各产生静电场的空间分别悬浮熔化状态的第一和第二样品，而同时控制样品的温度，位置，和下落速度，随后在样品悬浮状态下将熔化状态的各样品熔融在一起的步骤；一个用于停止照射从上面和下面激光辐照器发出的激光束，以便使由第一和第二样品形成的熔融体固化，接着将熔融体移动在下面产生静电场的空间中一个预定位置处的步骤，其中通过上述步骤将多个样品全都熔融在一起。
全文摘要
一种静电悬浮熔炼炉，包括一个真空室；多个主电极，所述多个主电极在真空室中彼此面对；多个辅助电极，所述多个辅助电极用于移动通过主电极之间所产生的静电场悬浮的样品；及多个激光发射装置，所述激光发射装置用于发射激光束到位移到一具预定位置的样品上以便熔化样品，其中多个主电极在垂直方向上以合适的间隙设置，以便分别在相邻的主电极之间形成产生电场的空间，而各辅助电极分别设置成与相应的产生电场的空间有关，激光发射装置分别设置在位于顶部的主电极侧和位于底部的主电极侧，以便同轴式彼此面对，及在位于中间位置的主电极激光束光路上设置通孔供样品由其通过。在这种静电悬浮熔炼炉中，例如当熔融两个样品时，它们在悬浮时各自熔化，并可以保持各自的温度熔融而不管样品是否是导体，结果熔融可以在排除外面干扰的情况下实现。
文档编号F27B14/00GK1761853SQ20048000747
公开日2006年4月19日 申请日期2004年2月25日 优先权日2003年3月20日
发明者川崎和宪, 旭广明 申请人:石川岛播磨重工业空间技术株式会社