专利名称：一种模拟微重力实验用透明落管的制作方法
技术领域：
本发明涉及开展材料科学模拟实验的装置，具体为用于模拟空间金属合金实验的装置。
背景技术：
空间亦即微重力条件下的材料科学研究始于六十年代末。随着研究的不断深入，人们已清楚地意识到空间材料制备可能是提高材料性能的重要手段，尤其对于先进的和战略性技术的实质性进展更具关键性。然而开展此类研究必须具备一些基本的试验手段和条件，首先需要解决营造一个微重力环境。
目前微重力环境的来源可分为地面模拟系统、飞行试验系统和轨道试验系统三类。其中地面模拟实验是在空间轨道上进行研究和材料加工所做的准备工作，其最终目的是在空间实现工业化生产。而轨道实验则是对空间工业的实地摸索，因此也就是实现空间工业化的必由之路。为有效地利用昂贵的空间实验的机会，必须先期在地面做好预研工作，运用地面模拟系统可以估算出许多空间实验参数，从而使空间工作更有成效。落管是地面进行模拟微重力实验的主要实验手段。落管提供的微重力条件在较高真空度下可达到10-6g0的微重力水平，在落管中甚至没有在空间站中所存在的因宇航员的活动所引起的扰动；加之落管中的实验条件容易控制，模拟实验周期也短，一天可进行一次或数次实验，因此，落管成为开展材料科学模拟实验的重要手段，它的科学价值就在于它是一种模拟微重力条件下无干扰的无容器过程的实验手段。
发明内容
本发明提供一种模拟微重力实验用透明落管，其特征在于落管由熔炼室(1)、管体、样品收集室(1)、真空系统和控温、测温系统等部分构成；落管管体采用透明管，熔炼室(1)位于落管顶部，样品收集室位于落管底部，真空系统由上、下两部分构成，测温系统由管内测温(11)和管外测温(12)两部分组成。
所述模拟微重力实验用透明落管的熔炼室(1)的发热体(2)为钨丝，样品悬挂于螺旋式发热体(2)中间，当样品熔化后，其重量将克服表面张力而自由坠落。
所述模拟微重力实验用透明落管的收集室(14)里有一不锈钢样品接收盘(13)，盘内盛有少量硅油，便于凝固后的们品快速冷却。
所述模拟微重力实验用透明落管的真空系统由上、下两部分构成，顶部(3)有两台A-3涡轮分子泵、两台机械泵和一台钛升华泵，底部(15)有一台A-3涡轮分子泵和一台机械泵，构成了落管的整体抽真空系统，该真空系统可使落管真空度达到10-4Pa。
在所述的模拟微重力实验用透明落管的管体中部还有一台离子溅射泵(8)，作为真空保持系统，它在上下真空系统停止工作后，用来保持落管内部真空，使得再次试验时可迅速恢复真空，提高工作效率。
所述模拟微重力实验用透明落管的管体由多节透明的石英玻璃管(6)用软连接方法连接而成，石英玻璃对红外线的透射率高，这样就可实现红外线管外测温并分析熔滴温场分布情况；采用软连接以免石英玻璃管(6)受温度变化、震动等外力产生应力而损坏。
所述模拟微重力实验用透明落管的管体由多节石英管(6)与多节不锈钢管(7)用软连接方法连接而成，使用不锈钢作为部分管体可以节省经费。
所述模拟微重力实验用透明落管备有充气装置，可以往管中充入氩、氮或其它惰性气体，提高材料的过冷度，加快样品在下落过程中的凝固速度。
所述模拟微重力实验用透明落管的管内测温部分(11)包括触发器、信号探测器、计算机控制系统及数据采集系统；管外测温部分(12)采用红外热像仪。
所述模拟微重力实验用透明落管管内测温部分的触发器由PbS探测器和计算机信号识别电路组成；信号探测器是两个分别位于落管内不同部位的PbS探头。
本发明所提供的透明落管的优点是提供的微重力条件在较高真空度下可达到10-6g0的微重力水平；在落管中没有在空间站中因宇航员的活动所引起的扰动；加之落管中的实验条件容易控制，模拟实验周期也短，一天可进行一次或数次实验。
图1是透明落管示意图；图2是石英玻璃管与石英玻璃管的连接器示意图；图3是石英玻璃管与金属管的连接器示意图；图4是Cu熔滴在真空中的自然冷却曲线；
图5是PbS探测器测得的Cu熔滴下落过程中的辐射曲线；图6是Ag-Cu熔滴下落过程的红外影像；图7是Ag-Cu熔滴温场三维分布图；图8是Ag-Cu熔滴温场平面分布图；图9是落管重力试验所得Ag-Cu合金微观组织全貌。
具体实施例方式落管的主要技术参数如下高度 19.9m内径 150mm加热温度 ～1300℃真空度 ～10-4Pa微重力时间 2sec微重力水平 ～10-6g0落管由熔炼室(1)、管体、样品收集室(14)、真空系统和控温、测温系统等部分构成。
熔炼室(1)位于落管顶部，其主要功能是加热熔化并释放试验样品。熔炼室(1)采用强流电阻升温方式(50V，110A)，发热体(2)为直径φ0.8mm钨丝。加热时样品悬挂于螺旋式发热体(2)中间，采用低电压、大电流，可在约15秒之内快速升温到1300℃，这样将尽可能少地使样品表面受到污染。当样品熔化后，其重量将克服表面张力而自由坠落。
落管管体由石英管(6)与不锈钢管(7)用连接器(5、9、12)连接而成。连接器(5)如图2所示，由压盖(22)、连接座(25)和连接螺杆(21)构成，在压盖(22)与石英管(6)之间垫有氟O形橡胶圈(23)，在连接座(25)与石英管(6)之间垫有减震垫(24)。连接器(9)如图3所示，由压盖(22)、带尖角(26)的连接座(25)和连接螺杆(21)构成，在压盖(22)与石英管(6)之间垫有氟O形橡胶圈(23)，在连接座(25)与石英管(6)之间垫有减震垫(24)，在连接座(25)与金属管(7)之间垫有无氧铜密封圈(27)。软连接既保证了高真空度，又起抗震等作用。本落管的最大特点也就在于适量使用了透明石英玻璃管(6)，在距顶端1.4m和12.2m处分别安装了3m和7m长的石英管(6)。之所以选用石英玻璃管(6)是因为石英玻璃对红处线的透射率高，这样就可实现红外线管外测温并分析熔滴温场分布情况。使用不锈钢管(7)作为部分管体的主要原因是为了节省经费以及其他一些技术原因。
样品收集室(14)位于落管底部一较大真空腔内，腔体内有一不锈钢样品接收盘(13)，盘内盛有少量硅油，便于凝固后的样品快速冷却。试验结束后，打开真空室阀盖将样品接收盘经由导轨向外拉出，即可将样品取出。
落管的真空系统由上(3)、中(8)、下(15)三部分构成。顶部(3)有两台A-3涡轮分子泵、两台机械泵和一台钛升华泵，底部(15)有一台A-3涡轮分子泵和一台机械泵。它们构成了落管的整体抽真空系统。在落管的中部还有一台离子溅射泵(8)，作为真空保持系统，它在上下真空系统(3、15)停止工作后，用来保持落管内部真空，使得再次试验时可迅速恢复真空，提高工作效率。整个真空系统可使落管真空度达到10-4Pa。此外，为提高材料的过冷度，加速样品在下落过程中的凝固速度，落管还备有充气装置，可往管中充入氩、氮等气体，以满足各种试验要求。
落管测温系统由两部分(11、12)组成。
管内测温的主要目的是确定样品的凝固点。通常样品在凝固时由于潜热的释放将导致热辐射增大，这一现象又称为“再辉”。管内测温便是基于这一点实现的，它主要包括触发、信号探测、计算机控制及数据采集等部分。
由于测温的对象是飞行中的样品，因而采用非接触的测温方式，这种方式要求探测器具有高的分辨率和快的速度响应。本系统采用PbS薄膜光电导探测器，其光谱范围为2.45μm～3.2μm，时间常数为400μs，工作面积为1×1mm2。
管内测温的触发部分由PbS探测器和计算机信号识别电路组成。除了一个PbS探头作为触发器之外，还在落管内不同部位分别安置了两个PbS探头作为信号探测器。数据采集系统由相应硬件和配套软件组成。试验时，当样品加热到适当温度准备下落时，启动采集程序，一旦计算机接收到样品光触发信号，它就以一定的时间间隔准确地采集信号。采集到的数据可在计算机屏幕上即时显示，也可以存盘进行后处理。
测得的Cu熔滴在真空中的自然冷却曲线见图3，测得的Cu熔滴下落过程中的辐射曲线见图4。利用这条辐射曲线可以方便地确定熔滴出现再辉的时间，然后在冷却曲线上查到相应的温度，这即是熔滴的凝固点温度。
管外测温是用美国Inframetrics制造的Model760红外热像仪来实现的。其主要性能指标如下
谱带 探测器最小可探测温差 精度8-12μm，3-5μm或3-12μm HfCdTe 0.1℃ ±2℃或±2％水平分辨率 扫描速率 测温范围256Pixels/Line水平7812Hz，垂直50Hz-20-+1500℃试验时它可以动态地记录样品下落及凝固过程的红外影像，随后利用配套的ThermaGram热图像分析处理系统就可以分析样品在任一时刻的温场分布情况，Ag-Cu熔滴下落过程的红外影像见图6。通过对它们的分析不仅可以得到熔滴的温场分布情况，见图7和图8，经过推算还可得到熔滴下落和冷却速度以及微重力水平等等。落管试验所获得的Ag-Cu合金微观组织全貌见图9。
权利要求
1.一种模拟微重力实验用透明落管，其特征在于落管由熔炼室(1)、管体、样品收集室(14)、真空系统和控温、测温系统等部分构成；落管管体采用透明管，熔炼室(1)位于落管顶部，样品收集室(14)位于落管底部，真空系统由上、下两部分构成，测温系统由管内测温(11)和管外测温(12)两部分组成。
2.按照权利要求1所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于所述熔炼室(1)的发热体(2)为钨丝，样品悬挂于螺旋式发热体(2)中间。
3.按照权利要求1所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于在所述的收集室(14)里有盛有硅油的接受盘(13)。
4.按照权利要求1所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于所述的真空系统由上、下两部分构成，顶部(3)有两台A-3涡轮分子泵、两台机械泵和一台钛升华泵，底部(15)收集部分有一台A-3涡轮分子泵和一台机械泵。
5.按照权利要求4所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于中部有一台离子溅射泵(8)。
6.按照权利要求1所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于所述的管体由多节透明的石英玻璃管(6)用软连接方法连接而成。
7.按照权利要求1所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于所述的管体由多节石英管(6)与多节不锈钢管(7)用软连接方法连接而成。
8.按照权利要求1所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于在所述的管体备有充气装置。
9.按照权利要求1所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于在所述的管内测温部分(11)包括触发器、信号探测器、计算机控制系统及数据采集系统；管外测温部分(12)采用红外热像仪。
10.按照权利要求9所述的模拟微重力实验用透明落管，其特征在于所述的触发器由PbS探测器和计算机信号识别电路组成；信号探测器是两个分别位于落管内不同部位的PbS探头。
全文摘要
本发明提供一种模拟微重力实验用透明落管，其特征在于落管由熔炼室、管体、样品收集室、真空系统和控温、测温系统等部分构成；落管管体采用透明石英玻璃管，熔炼室位于落管顶部，样品收集室位于落管底部，真空系统由上、下两部分构成，测温系统由管内测温和管外测温两部分组成。本透明落管的优点是提供的微重力条件在较高真空度下可达到10
文档编号G01N37/00GK1580763SQ0313362
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月1日 优先权日2003年8月1日
发明者李东华, 罗兴宏 申请人:中国科学院金属研究所