專利名稱：空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間科學、微重力科學和空間材料科學，特別是涉及空間晶體生長技術(shù)和原位實時觀察裝置。
自從二十世紀七十年代以來，在微重力條件下，前蘇聯(lián)、美國和中國已進行過幾次水溶液晶體的空間生長。第一代水溶液晶體生長裝置不具備原位實時觀察功能，如

圖1所示。該裝置只能在空間生長單晶體，不能獲得晶體生長過程中的實時信息。第二代裝置是把水溶液晶體生長設(shè)備和激光全息設(shè)備結(jié)合在一起。該裝置雖然具備原位實時觀察功能，但使用膠片記錄圖像，再現(xiàn)圖像很麻煩，而且圖像質(zhì)量也難保證。目前，日本、歐洲共同體和美國正在研制第三代裝置，它綜合水溶液晶體生長技術(shù)、激光干涉技術(shù)和圖像處理技術(shù)，如圖2所示為日本正在研制的第三代水溶液晶體生長裝置。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，本發(fā)明裝置由8個主要部件組成1)結(jié)晶器；2)貯液器；3)加熱器；4)溫度控制儀；5)循環(huán)泵；6)激光干涉儀；7)圖像采集組件；8)圖像記錄組件。
1)結(jié)晶器結(jié)晶器的實物照片和設(shè)計圖如圖3和圖4所示。
它是由特殊金屬材料加工而成的封閉容器，呈圓柱狀結(jié)構(gòu)。它的兩個側(cè)面各開一個孔，鑲嵌一對光學平面玻璃，以使激光束通過結(jié)晶器。它的功能是生長單晶體。
2)貯液器貯液器的實物照片和設(shè)計圖也如圖3和圖4所示。
它也是由特殊金屬材料加工而成的封閉容器，呈圓柱狀結(jié)構(gòu)。它的功能是貯存飽和狀態(tài)的生長溶液。
3)加熱器它是由電熱絲和特殊耐熱材料加工而成的加熱體，呈圓盤狀薄膜結(jié)構(gòu)。它的功能是提供結(jié)晶器和貯液器的熱源。
4)溫度控制儀它是由計算機芯片和電子元件研制而成的儀器，呈長方體結(jié)構(gòu)。它的功能是控制結(jié)晶器和貯液器的溫度，使空間晶體生長實驗在予先設(shè)定溫度下進行。
5)循環(huán)泵它是一臺微型磁耦合泵，特殊市場產(chǎn)品。它的功能是使飽和溶液在結(jié)晶器和貯液器之間來回輸運。
6)激光干涉儀它是由半導體激光器、分光器、光學準直和擴束裝置、光學補償裝置以及反射鏡組成的光學干涉系統(tǒng)。激光干涉儀的實物照片和設(shè)計示意圖如圖5和圖6所示。它的功能是觀察和記錄固/液生長界面的濃度場和界面形態(tài)。
7)圖像采集組件它是由遠距光學顯微放大系統(tǒng)和CCD構(gòu)成的光學組件。它的功能是采集光學干涉圖像。
8)圖像記錄組件它是由攝像機、錄像機和圖像記錄控制器構(gòu)成的組件。它的功能是記錄和存儲干涉圖像。
本發(fā)明裝置同時實施兩個工作過程晶體生長過程和原位實時觀察過程。
結(jié)晶器是由特殊金屬材料加工而成的封閉容器，呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，置于貯液器的下方，它的側(cè)面開有兩個孔，各鑲嵌一光學平面玻璃，以使激光束通過結(jié)晶器，它的功能是生長單晶體。
貯液器是由特殊金屬材料加工而成的封閉容器，呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，其直徑大于結(jié)晶器的直徑，并與結(jié)晶器同軸心地置于結(jié)晶器的上方，它的功能是貯存飽和狀態(tài)的生長溶液。
加熱器是由電熱絲和特殊耐熱材料加工而成的加熱體，呈圓盤狀薄膜結(jié)構(gòu)，設(shè)置于結(jié)晶器與貯液器內(nèi)，它的功能是提供結(jié)晶器和貯液器的熱源。
溫度控制儀是由計算機芯片和電子元件研制而成的儀器，呈長方體結(jié)構(gòu)，與加熱器相連，并連接有復(fù)數(shù)個溫度傳感器，這些溫度傳感器分別置于結(jié)晶器與貯液器中，它的功能是控制結(jié)晶器和貯液器的溫度，使空間晶體生長實驗在予先設(shè)定的溫度下進行。
循環(huán)泵是一臺微型磁耦合泵，特殊市場產(chǎn)品，置于結(jié)晶器與貯液器之間，它的功能是使飽和溶液在結(jié)晶器和貯液器之間來回輸運。
激光干涉儀是由半導體激光器、分光器、光學準直和擴束裝置、光學補償裝置以及反射鏡組成的光學干涉系統(tǒng)，置于結(jié)晶器與貯液器的外圍，激光束由結(jié)晶器側(cè)面開的兩個孔中之一射入結(jié)晶器，垂直投射到單晶體的晶面上，并由另一孔射出，它的功能是觀察和記錄固/液生長界面的濃度場和界面形態(tài)。
圖像采集組件是由遠距光學顯微放大系統(tǒng)和CCD構(gòu)成的光學組件，設(shè)置于干涉光路上，它的功能是采集光學干涉圖像。
圖像記錄組件是由攝像機、錄像機和圖像記錄控制器構(gòu)成的組件，與圖像采集組件連接，設(shè)置于圖像采集組件末端，它的功能是記錄和存儲干涉圖像。
本發(fā)明裝置的實施方式是在地面上先將配制的過飽和母液注入貯液器內(nèi)，當空間飛行器進入微重力狀態(tài)后，通過微型磁耦合泵，將母液泵入結(jié)晶器內(nèi)。加熱器和溫度控制儀則使貯液器和結(jié)晶器的溫度控制在設(shè)定溫度內(nèi)。激光干涉儀則使物光(通過結(jié)晶器)和參考光發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋。通過圖像采集和記錄系統(tǒng)，對晶體生長過程進行原位實時觀察。
本發(fā)明裝置同時實施兩個工作過程晶體生長過程和原位實時觀察過程。具體操作規(guī)程如下(a)晶體生長過程(1)根據(jù)晶體類型，配制過飽和的晶體生長母液，并注入貯液器內(nèi)，見圖3和圖4[1]；(2)將籽晶放置到結(jié)晶器(見圖4[20])內(nèi)的籽晶盤(見圖4[11])下端；(3)啟動加熱器系統(tǒng)，通過4個溫度傳感器(見圖4[3，28，29，30])，使貯液器內(nèi)的溫度保持在設(shè)定溫度；
(4)當空間飛行器進入微重力狀態(tài)后，啟動循環(huán)泵，通過吸液/排液嘴將貯液器內(nèi)的母液吸入結(jié)晶器中，屆時，置于結(jié)晶器內(nèi)過飽和母液中的籽晶體開始生長。
(5)晶體生長實驗完成后，重新啟動循環(huán)泵，將剩余母液從結(jié)晶器中排到貯液器內(nèi)。
(b)原位實時觀察過程如圖6所示，半導體激光器(Las)發(fā)出的光源，經(jīng)過擴束器E和非球面透鏡L的準直后，成為平行傳播的光束。通過反射鏡M1和M2，進入光學干涉系統(tǒng)。半透半反鏡BS1將光束分為物光和參考光兩部分。物光由M3反射后直接進入結(jié)晶器，并垂直投射到單晶體S的晶面上。該光束穿過晶體和結(jié)晶器后，入射到另一半透半反透鏡BS2。參考光被BS1反射后，通過補償光路C到達反射鏡M4，從而在半反射鏡BS2處與物光匯合。匯合合成的干涉光束又分成兩部分。一部分由反射鏡M5向上反射，進入高倍放大率的圖像記錄系統(tǒng)L1-CCD1，另一部分由反射鏡M7向上反射，進入低倍放大率的圖像記錄系統(tǒng)L2-CCD2，將所得到的信息經(jīng)處理后，即得到晶體生長全過程的實時監(jiān)控圖像。
本發(fā)明裝置與已有裝置比較，存在以下的特點1.有明顯的先進性---我國從事空間水溶液晶體空間生長的單位，只有中國科學院物理研究所，我們已搭載我國人造衛(wèi)星在空間生長了α-LiIO3單晶體；我們研制的第一代空間水溶液晶體生長裝置，已獲專利(專利號ZL 00 2 00853.X)，但不具有原位實時觀察功能。
---前蘇聯(lián)和美國研制的第二代激光全息型空間水溶液晶體生長裝置，已過時。
---日本正在研制的第三代水溶液晶體生長裝置，雖然具有原位實時觀察功能，將來可應(yīng)用于未來的國際空間站，但尚未完成。
2.有獨特的新穎性---本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)與設(shè)計思路與日本正在研制的裝置完全不同。日本設(shè)計思路是單純從事空間晶體生長的基礎(chǔ)理論研究，因而結(jié)晶器的容量很小，變焦范圍不大，本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計采用大容量結(jié)晶器，同時設(shè)計兩套圖像記錄系統(tǒng)，所以，既可生長大單晶體，又可從事空間晶體生長的基礎(chǔ)理論研究。
3.經(jīng)多次使用，取得良好的效果---本發(fā)明裝置已進行多次實驗，成功生長出NaClO3單晶體，獲得了多幅干涉圖像。
權(quán)利要求
1.一種空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，由結(jié)晶器；貯液器；加熱器；溫度控制儀；循環(huán)泵；激光干涉儀；圖像采集組件；圖像記錄組件等八個主要部件組成，其同時實施兩個工作過程晶體生長過程和原位實時觀察過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，結(jié)晶器是由特殊金屬材料加工而成的封閉容器，它的側(cè)面開有兩個孔，各鑲嵌一光學平面玻璃，以使激光束通過結(jié)晶器；它的功能是生長單晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，貯液器是由特殊金屬材料加工而成的封閉容器，其直徑大于結(jié)晶器的直徑，它的功能是貯存飽和狀態(tài)的生長溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，加熱器是由電熱絲和特殊耐熱材料加工而成的加熱體，呈薄膜結(jié)構(gòu)，它的功能是提供結(jié)晶器和貯液器的熱源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，溫度控制儀是由計算機芯片和電子元件研制而成的儀器，它的功能是控制結(jié)晶器和貯液器的溫度，使空間晶體生長實驗在予先設(shè)定的溫度下進行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，循環(huán)泵是一臺微型磁耦合泵，特殊市場產(chǎn)品，置于結(jié)晶器與貯液器之間，它的功能是使飽和溶液在結(jié)晶器和貯液器之間來回輸運。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，激光干涉儀是由半導體激光器、分光器、光學準直和擴束裝置、光學補償裝置以及反射鏡組成的光學干涉系統(tǒng)，它的功能是觀察和記錄固/液生長界面的濃度場和界面形態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，圖像采集組件是由遠距光學顯微放大系統(tǒng)和CCD構(gòu)成的光學組件，它的功能是采集光學干涉圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，其特征在于，圖像記錄組件是由攝像機、錄像機和圖像記錄控制器構(gòu)成的組件，它的功能是記錄和存儲干涉圖像。
全文摘要
本發(fā)明一種空間水溶液晶體生長原位實時觀察裝置，是第三代空間晶體生長實驗裝置，該裝置既可在空間微重力條件下，從水溶液中生長單晶體，又可實時原位觀察固/液生長界面的濃度場和界面形態(tài)變化；本發(fā)明裝置，由結(jié)晶器；貯液器；加熱器；溫度控制儀；循環(huán)泵；激光干涉儀；圖像采集組件；圖像記錄組件等八個主要部件組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計采用大容量結(jié)晶器，同時設(shè)計兩套圖像記錄系統(tǒng)，所記錄的晶體生長原位實時觀察資料，可供空間晶體生長的基礎(chǔ)理論研究。
文檔編號C30B7/00GK1478927SQ0214188
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者陳萬春, 方競, 馬文漪, 陳國幼, 劉道丹, 沈蘊雪 申請人:中國科學院物理研究所