专利名称：微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种观察和测量液体工质急速爆发沸腾的系统，具体地说，涉及一种微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统。
背景技术：
微尺度超急速爆发沸腾是在瞬态高热流作用下引发的一种超常沸腾现象，它的主要特征在于液体快速加热至高度过热，从而导致急速爆发式的汽泡核化与增长，常见于各类冶金、化工、核反应堆等过程中。最先对超急速爆发沸腾传热进行研究是为了解决在核反应堆、冶金、液化天然气等工业中常发生与其紧密相关的事故，如核反应堆的冷却水系统失效时熔化的核燃料棒与冷却水瞬间接触而导致蒸汽爆炸，从而出现严重的核安全事故。近年来，随着现代高新技术的飞速发展，超急速爆发沸腾过程得到了进一步广泛应用金属材料的激光融敷、贵重物品与微电子器件表面的激光清洗、激光医疗手术、喷墨打印机、微电子机械系统(MEMS)等。正逐步发展的激光清洗(steam laser cleaning)方法就是利用激光作用下固体表面液膜超急速爆发沸腾所产生的巨大力量克服固体表面上微/纳米粒子与表面的强吸附作用而达到清洗的效果。采用微通道内急速沸腾传热产生的高压气体驱动微机械系统，可以实现无阀驱动，且机构简单，适于微型化，给微机械系统的设计带来革命性的变化。一些基于传热学原理的微传感器、微驱动器、微泵以及其它微流体机械相继问世，并在电子、通讯、能源、医学、国防、航空航天、航海等领域有极为广阔的应用前景。
微尺度超急速爆发沸腾，无论是对高新技术的成功利用还是对灾难性事故的预防与控制，都迫切需要对其进行更深入系统的研究，以更好地利用或防止超急速爆发沸腾现象的发生。但由于传递过程中超常现象的出现，使常规测量技术与经典理论面临着巨大的挑战，从而使人们对其微观机理的认识还非常有限，对其中的超常现象还不能给出合理的解释与恰当的描述，现有的实验与理论结果还不能较好地用于指导实践等等。迫切需要探索和发展能揭示其超常沸腾过程的实验与测量技术以及相关理论描述，为实际应用和高科技发展服务，这也将使沸腾传热的研究进入一个新的阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统。
为实现上述目的，本发明提供的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其组成为一脉冲激光器，受一激光控制器的控制，以产生一脉冲激光束和触发信号；一铂薄膜试件，为在石英玻璃柱的上端面上镀有一层铂金而成，浸没于一盛放有液体工质的液池内，并与激光束为同一轴线，石英玻璃柱的两侧各引出一导线与数据采集记录仪相连接；一高速摄影仪，镜头对准铂薄膜试件表面及其上方发生爆发沸腾区域；一高频压电式压力传感器(NCS-1)与数据采集记录仪相连接，该传感器的传感头置于液体工质内；由上述装置，在激光控制器上预置脉冲激光器的输出参数，脉冲激光器输出激光的同时，向数据采集记录仪和高速摄影仪同时发出触发信号，数据采集记录仪提前进行数据采集；激光束照射在铂薄膜试件表面，通过铂薄膜试件受热对液体工质加热以产生爆发沸腾，高速摄影仪对爆发沸腾过程进行拍摄。
其中脉冲激光器的光束波长为1.06μm，脉冲宽度为800ns～5μs可调，光斑直径为0.2～10mm可调，功率密度为10-～10000MW/m2可调。
其中液体工质为对波长1.06μm的激光几乎不吸收的透明液体工质，如丙酮或乙醇。
其中铂薄膜试件上的铂金厚度约为0.5μm。
其中液池的周围有一照明光源，该照明光源的照明区域为铂薄膜试件表面及其上方发生爆发沸腾的部分。
其中石英玻璃柱的两侧涂有银浆以引出导线。
其中高速摄影仪的镜头上设有高倍数显微放大镜。
其中高频数据采集记录仪的数据输入至计算机进行处理和储存。
本发明采用的铂薄膜试件既是测温元件又是液体工质的加热元件，以最大限度保证系统内部不出现相互干扰，并保证测温过程的瞬时和准确性。
图1为本发明的系统示意图。
图2为本发明的铂薄膜试件示意图。
图3为本发明以丙酮为工质时的爆发式池沸腾动态过程照片。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
请结合图1和图2，本发明主要由脉冲激光加热系统、瞬态温度测量系统、瞬态压力测量系统和高速显微放大摄影观测分析系统组成。
其中脉冲激光加热系统是由激光控制器1控制脉冲激光器2的输出功率，将激光束2A照射到铂薄膜试件3的表面。
本发明采用的脉冲激光器2的波长为1.06μm，脉冲宽度为800ns～5μs可调，光斑直径为0.2～10mm可调，功率密度为10-～10000MW/m2可调，通过控制器控制开关电源来调节其输出参数。
铂薄膜试件3是在石英玻璃柱的上端面上镀有一层厚度约为0.5μm的铂金而成(如图2所示)，石英玻璃柱的两侧涂有银浆作为导线引线。
高频数据采集记录仪5的最高采集速率为500MS/s；高频压力传感器6的频率大于1兆赫。
铂薄膜试件3浸没于盛有液体工质的液池4内；温度测量系统由铂薄膜试件3、高频数据采集记录仪5、计算机6组成；压力测量系统由高频压力传感器7、高频数据采集记录仪5、计算机6组成；显微观察摄影系统由带有高倍数显微放大镜的超高速摄影仪8与照明光源9组成。
实验测量过程中，铂薄膜试件浸没于盛有实验工质的液池内，或试件表面覆盖有一层薄液膜，实验工质丙酮、乙醇等透明液体工质对波长为1.06μm的激光能量几乎不吸收，激光束穿过液体工质直接照射到铂薄膜试件的表面，部分能量用于加热铂薄膜试件，铂薄膜试件受热升温后对液体工质加热产生爆发沸腾；同时铂薄膜试件又是一个电阻测温元件，并与温度测量、记录及分析系统相连对爆发沸腾过程中的温度变化进行测量。所以实验测量过程中铂薄膜试件既是测温元件又是液体工质的加热元件，以最大限度保证系统内部不出现相互干扰，并保证测温过程的瞬时和准确性。
实验测量过程中，先在激光控制器上设置好脉冲激光加热器的输出参数，通过控制器来控制激光器的输出参数，在脉冲激光加热器输出激光的同时，向温度与压力数据采集记录系统及超高速显微放大摄影系统同时发出触发信号，温度与压力数据采集记录系统提前进行数据采集，超高速显微放大摄影系统对爆发沸腾过程进行实时、准确地高速拍摄。
本发明可广泛用于常温环境下超急速沸腾(池沸腾、薄液膜等)的温度测量与汽泡生长变化动力学过程的可视化观测。
权利要求
1.一种微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其组成为一脉冲激光器，受一激光控制器的控制，以产生一脉冲激光束和触发信号；一铂薄膜试件，为在石英玻璃柱的上端面上镀有一层铂金而成，置于一盛放有液体工质的液池内，并与激光束为同一轴线，石英玻璃柱的两侧各引出一导线与数据采集记录仪相连接；一高速摄影仪，镜头对准铂薄膜试件表面及其上方发生爆发沸腾区域；一高频压电式压力传感器(NCS-1)与数据采集记录仪相连接，该传感器的传感头置于液体工质内；由上述装置，在激光控制器上预置脉冲激光器的输出参数，脉冲激光器输出激光的同时，向数据采集记录仪和高速摄影仪同时发出触发信号，数据采集记录仪提前进行数据采集；激光束照射在铂薄膜试件的表面，铂薄膜试件受热升温对液体工质加热产生爆发沸腾，高速摄影仪对爆发沸腾过程进行拍摄。
2.权利要求1的微尺度爆发沸腾过程可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述脉冲激光器的光束波长为1.06μm，脉冲宽度为800ns～5μs可调，光斑直径为0.2～10mm可调，功率密度为10～10000MW/m2可调。
3.权利要求1的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述液体工质为对波长1.06μm的激光几乎不吸收的透明液体工质。
4.权利要求1或3的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述液体工质为丙酮或乙醇等。
5.权利要求1的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述铂薄膜试件上的铂金厚度约为0.5μm。
6.权利要求1的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述液池周围设有一照明光源，该照明光源的照明区域为铂薄膜试件表面及其上方发生爆发沸腾的部分。
7.权利要求1的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述石英玻璃柱的两侧涂有银浆以引出导线。
8.权利要求1的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述高速摄影仪的镜头上设有高倍数显微放大镜。
9.权利要求1的微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，其特征在于，所述高频数据采集记录仪的数据输入至计算机进行处理和储存。
全文摘要
一种微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量系统，组成为一脉冲激光器，产生一脉冲激光束和触发信号；一铂薄膜试件，为在石英玻璃柱的上端面上镀有一层铂金而成，置于一盛放有液体工质的液池内，并与激光束为同一轴线，石英玻璃柱两侧各引出一导线与数据采集记录仪相连接；一高速摄影仪，镜头对准铂薄膜试件表面及其上方区域；一高频压力传感器与数据采集记录仪相连接，该传感器的传感头置于液体工质内。脉冲激光器输出激光的同时，向数据采集记录仪和高速摄影仪同时发出触发信号，数据采集记录仪提前进行数据采集；激光束照射在铂薄膜试件表面，铂薄膜试件受热升温对液体工质加热产生爆发沸腾，高速摄影仪对爆发沸腾过程进行拍摄。
文档编号G01N25/02GK1995985SQ20051013076
公开日2007年7月11日 申请日期2005年12月28日 优先权日2005年12月28日
发明者淮秀兰, 陶毓伽, 李志刚, 尹铁男 申请人:中国科学院工程热物理研究所