一種新型激光熔點測量裝置的設計

楊志遠，申俊華，許 娟，張靖雪，杜 丹，喬海峰

（中核北方核燃料元件有限公司，內蒙古包頭 014035）

1 儀器現狀

物質的熔點是影響其性能的重要指標之一，目前對于超過2500 ℃的物質的熔點、比熱、熱焓精確測量，一直是研究面臨的難題。在超高溫的研究領域，材料的熱學特性是必要的參數，因此高溫熔點儀已成為研究的熱點。例如在核反應中鈾的純度測量中，被測物質的熔點越接近其標準熔點，則該物質越純，因此，測定物質的熔點可以定性地鑒定被測物質的純度等。未經輻射的二氧化鈾熔點比較精確的測定值為2805±15 ℃，但實際使用的二氧化鈾是摻雜了其他物質的混合材料，混合材料的熔點是影響其性能及后續成品使用的重要因素。為了評價其混合材料的熔點，使用熔點方法進行檢測是最快和有效的方法之一。因此，基于超高溫的差示掃描量熱儀，進行該熔點儀的研究。

2 面臨的問題

差示掃描量熱法是在程序升溫的條件下，測量試樣與參比物之間的能量差隨溫度變化的一種分析方法。差示掃描量熱法有補償式和熱流式兩種。現在市面上常用的DSC 所測得的最高溫度不超過1500 ℃，并且用于溫度測量的鉑銠熱電偶的測量溫度也遠遠達不到預期，因此本試驗在差示掃描量熱法的基礎上改進加熱裝置和測溫裝置，以滿足高溫區下的加熱和測溫。

3 開展工作內容

3.1 工作原理

差示掃描量熱法是將樣品與參比放到同一個加熱體內，當加熱體按照設定的升溫程序進行同時升溫，在升溫過程中，被測量物內部發生物理或化學變化過程中，當發生吸熱或放熱的相應時，產生的能量差值被傳感器檢測到，經硬件電路放大后輸出給計算機，得到一條樣品溫度與能量差的曲線，該曲線稱之為DSC 曲線。通過對該曲線的數據進行分析，得到樣品的相轉變、熔融、結晶等相關的溫度及能量的變化量，從而為材料的研發、性能檢測與質量控制等進行相關的研究工作。

參比與樣品在同一個加熱爐內，它們受同一溫度—時間程序的監控，試樣與參比的溫差與兩者的熱流差成正比。其基本原理是在給予樣品和參比同樣的功率下，測定樣品與參比兩端的溫差ΔT，通過對溫差的積分計算出能量差ΔQ 作為信號輸出。

3.2 計算公式

溫度差—能量差的曲線通過式（1）計算得出。

其中，ΔT 為參比與試樣為同一環境下的溫差，R 為修正系數，dQ/dt 為熱流速率。

如果把整個反應看成在理想條件下，通過熱力學第二定律—能量守恒定律，即dQ=dH，則dQ/dt 等同于dH/dt，則有進而得到熱焓的計算公式

3.3 通用差示掃描量熱儀的不足之處

由于熔點溫區相對較低的熔點儀已經不能夠滿足現在的科研需求，因此近年來3000 ℃左右的高溫熔點儀的測試已成為研究的熱點。本設備中采用激光進行加熱，使樣品溫度能夠達到3000 ℃以上，滿足高溫下對樣品的測量要求，并且取消了參比物，使儀器設計更簡單，操作更靈活。

4 激光差示掃描量熱儀設備組成及結構

4.1 激光加熱系統

傳統的加熱爐限制了待測樣品的溫度，很難到達3000 ℃的高溫，并且在極高的溫度下對絕大多數的耐高溫材料的壽命是一種限制。激光加熱避免了此弊端，不僅加熱迅速，更重要的是它的穩定性與加熱均勻性，不是一般電阻絲加熱器所能比擬的；加熱溫度可測，溫度范圍300～3000 ℃。

激光加熱系統，包括激光加熱器、激光光頭調節裝置、溫度傳感器、主控制器和樣品托盤等（圖1）。激光加熱器置于樣品托盤上方，用于對樣品托盤上的試樣加熱。激光光頭調節裝置與所述激光加熱器相連接，用于對激光光源進行調節。溫度傳感器靠近樣品托盤的加熱區域，用于測量溫度數據并反饋。主控制器分別與激光加熱器、溫度傳感器、激光光頭調節裝置和樣品托盤連接，用以控制并使加熱區域參數達到目標值。

圖1 激光加熱系統原理

（1）激光發生器單元。傳統的電爐絲、石墨等方式不能滿足設備中加熱要求，所以本儀器中選擇了激光加熱的方式進行加熱。激光發生器將電能轉化為光的形式發射出來，當加熱體接受到激光照射后升溫。激光的能量密度比較集中，可以完成物體的瞬間升溫。

（2）激光光路單元。固體激光器的光路調整裝置，包括水平X方向位置調整組件、水平Y 方向位置調整組件、垂直Z 方向位置調整組件和垂直角度調節組件，滿足了固體激光器所發射出的光點全方向、不同空間角度的調整適配，準確調整固體激光器所發射出的光點位置、角度與樣品的位置調節系統精確匹配。

（3）激光變焦單元。激光發生器將10.6 μm 激光經光路系統并聚焦，光路聚焦可采用可上下移動的凸透鏡進行光路聚焦，通過凸透鏡位置的粗調可調節光路到樣品的距離，由于每次測得的樣品的質量和體積存在細微的變化，因此可通過對凸透鏡升降體統的微調，準確地使激光照射在樣品的上表面。變焦單元采用的是一種可電動變焦的激光模塊，包括激光單元、聚焦鏡片和電動裝置：聚焦鏡片與激光單元相對設置，激光單元產生的激光光線能通過聚焦鏡片聚焦后向外射出；聚焦鏡片連接于電動裝置，電動裝置通過改變電流、電壓或電極性等方式動作，用以推動聚焦鏡片進行直線移動，使聚焦鏡片調整至預定的位置，完成對焦。利用電動的方式調整焦距，操作較為簡單容易，且在激光自動變焦后，仍可因應實際需要進行調整（微調）焦距的操作。

（4）紅外測溫單元。高溫樣品測量方法主要分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式主要采用熱電偶進行測溫，目前在2000 ℃以下可以使用鎢錸熱電偶，但是再高的溫度就不再準確，且高溫下熱電偶有氧化的缺點。本儀器中采用紅外測溫方法，優點在于測量過程響應快、設備壽命長和非消耗性的實時、連續測量等，但也存在受被測物體的發射率和測量環境等因素的影響大，輻射光受煙霧、水蒸汽、塵埃影響，可能導致測量誤差增大的缺點，因此該測量過程采用通氣或抽真空的方法有效減少了誤差。另外，紅外測溫雖然在300 ℃以下存在較大誤差，但是本儀器主要進行的是高溫下樣品的特性分析，所以1000 ℃以下的樣品可以使用常規的DSC 進行測量。且本儀器中將整個溫度區采用兩種不同特性的紅外測溫傳感器進行溫度測量（300～2000 ℃、2000～3000 ℃），提高了測量溫度的精度。

（5）線性升溫、等溫、降溫控制單元。紅外傳感器在對高溫環境下的樣品溫度實時監測時，得到一個相應的溫度值，該溫度值與設定的理論升溫所對應溫度值間有一個差，該差經過計算機模糊PID（比例、積分和微分）算法，輸出一個激光光強控制的數值，該數值保證了溫升過程的穩定。本設備使用了恒久HENVEN 系統作為數據處理和分析界面，實時地給出DSC 曲線與溫度曲線，并能夠完成相應溫度的校準及熱焓的校準功能，使測量結果更接近物體的真實溫度，滿足對高溫環境的溫度測量工作。

4.2 差熱測試系統

差示掃描量熱法中的差熱紅外溫度測溫單元。紅外測溫系統由紅外傳感器測量得到相應的光強值，該信號經放大器A/D 轉換（模數轉換）后，傳輸給計算機，計算機經計算得到相應的溫度數值，該溫度數值作為樣品的溫度值被計算機記錄下來。同時在升溫過程中，計算機還根據升溫的設定得到一個理論的升溫過程實時對應的溫度值，該溫度值作為參比溫度。兩個溫度值做差，得到實時的樣品與參比的溫差數值，該差值隨著溫度的變化而得到一條樣品的熱流差與溫度曲線（圖2）。如果改成差分，參比與樣品間最大溫差是100 ℃，數據采集電路的測量范圍0～5 V、分辨率1%沒變，最小測量數值為1 ℃。例如當樣品完全融化時，分析得到熱流曲線的吸熱峰，在開始熱流發生變化階段做兩條切線，一條為基線切線，另一條為熱流開始有明顯變化的切線，兩條切線的交點即為樣品的熔點。利用已知熔點值的標準物質，就可以進行溫度的標定，且其反應過程中的峰面積也可以用已知熱焓的物質進行標定。

圖2 差熱紅外溫度測溫單元原理

4.3 爐體樣品腔體系統

（1）樣品升降單元。由于激光的光斑呈放射狀，因此改變與激光頭的距離，就可以得到合適大小的光斑使樣品更好地吸收激光，設計可升降調節高度的樣品坩堝支架，坩堝支架穿過爐體托盤與爐體外部的同步電機進行連接，電機驅動支架上下移動，并且爐體頂端的觀察窗可隨時觀察樣品與激光單元所處的實際位置，更好地完成樣品對光的吸收。

（2）爐體反應腔及保溫單元。爐體處于超高溫條件下熱漏就隨之增加，為達到對爐體內部的溫度保護，爐內保溫單元必不可少，其中爐體為耐高溫合金材料，內部有一金屬鎢制造的樣品支撐坩堝，用于存放樣品和起支撐作用。樣品支撐坩堝周圍被爐體保溫層包裹著，保溫層的用料為耐高溫的莫來石材料，外部被保溫陶瓷棉包裹。保溫棉外層為耐高溫的合金材料，合金內部夾層為螺旋式銅管，可通入循環水進行降溫。

（3）爐體冷卻單元。試驗處于極高溫度環境，在對爐體的冷卻降溫設施必不可少。爐體內部冷區裝置由導熱較高的銅管制成，銅管夾嵌在爐體外部的保護層內部，銅管連接冷卻循環泵裝置，不但可以達到控溫恒溫效果，還能有效保護爐體材料在高溫環境下的安全使用。

（4）爐體升降單元。爐體內部溫度較高，不利于操作，為安全起見設計一種自動升降裝置。爐體的腔體下方有一升降裝置，與同步電機相連：試驗前爐體腔體與保溫裝置處于分離狀態，裝好樣品后，按動電機開關使爐體的腔體緩慢上升，待腔體與保溫裝置完全結合一起后停止上升；試驗結束后，同樣按動同步電機反轉開關，使同步電機所連帶的升降裝置下降，與腔體分離開來，最終實現樣品取樣、換樣和維護等操作。

5 試驗驗證

用激光進行加熱金屬銀試驗兩次，升溫過程中以理論溫度作為參比信號做出圖譜，對比試驗數據。銀的理論熔點是961.8 ℃，采用理論溫度作為參比進行數據測量，測得的銀熔點溫度的測量的準確性在0.5 ℃以內，且對同一物質的測量重復性在0.5 ℃以內。

6 結束語

針對傳統通用的差式掃描量熱熔點測定儀在高熔點樣品上無法滿足測量要求的情況，設計出全新的高溫激差示掃描量熱儀裝置，通過理論計算得到的溫度值代替實物作為參比，在差示掃描量熱法的基礎上進行加熱裝置和測溫裝置的改進，以滿足高溫區下的加熱和測溫，實現了高熔點樣品的測量手段，解決了3000 ℃以內對樣品的熱物性進行測量的難題。