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費勉100問第十期

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26.樣品臺幾種加熱方式的區別(紅外,電阻加熱絲)?

上面這個問題有些含糊,因為電阻絲加熱樣品臺和紅外加熱有一定的交疊,要解釋清楚這個問題,首先要把加熱方式做個分類,按照熱傳導的形式,不同熱量的傳遞主要有三種方式:

● 接觸傳熱
● 輻射傳熱

● 對流

其中,對流在真空內部是很少見的,但不是沒有,例如稀薄氦氣的對流性能就可以用作減震導熱的用途;真空內部的主要熱量傳遞都依賴于熱接觸和輻射傳熱。

所謂的熱接觸是比較好理解的,一般用在低溫區域,主要的介質是銅、鋁等高熱導金屬,依賴良好的接觸面來提高熱傳導的效率,往往在接觸面上需要采用柔性介質(例如In)以及在接觸面上增加壓力來提高熱導率。

輻射傳熱就會復雜的多,輻射的形式可以是紅外、激光甚至電子束、離子束。我們經常說的電阻加熱就是用紅外輻射的方式,用加熱絲處的紅外輻射來給樣品加熱,但這種方式有局限性,因為隨著樣品達到高溫,樣品本身也在放出紅外線,特別是隨著樣品溫度的升高,吸收和放出的紅外輻射會趨于平衡,這個時候很難再利用紅外輻射來達到更高的溫度,所以我們一般對電阻加熱的溫度范圍最高不超過1000℃,常規指標一般是800℃。

為了達到更高的溫度,常見的手段有兩種,一種就是用能量密度更高的紅外輻射源,比較多的就是采用紅外激光器,因為激光的準直性和高能量密度,可以把上百瓦的能量聚焦到一個毫米量級的點上,因此加熱效率會遠遠好于常規的電阻加熱,甚至可以在10s內把一個小樣品從室溫加熱至1000℃。

因為激光器的成本和大功率激光使用的安全性溫度,所以實際實驗中常見的另一種手段是電子束加熱,電子束加熱的方式與常規的電阻加熱只有一步之遙。一般來說電子束加熱如果去掉高壓就是一個常規的電阻加熱模塊。如果我們在燈絲或者樣品加上高壓,那么就能把電阻加熱升級成電子束加熱。這時候燈絲上的熱發射電子就會被指向性的導到樣品處,從而實現集中高密度的能量轉移。


27.激光加熱器的工作原理?以及公司常用激光加熱器輸出功率的計算方式?
真空常規加熱方式包括電阻熱輻射加熱或者電子束轟擊加熱,對真空的依賴度較高。

常規的鎢、鉭加熱絲只有在超高真空時才能保證有比較長的壽命,而替代的貴金屬合金絲,例如鉑銠絲對氣氛有要求,否則參與反應或者干擾實驗進程;此外,常規的熱輻射或者電子束轟擊的方式在真空變差時加熱效率會顯著下降,主要原因在于更密集的氣體分子吸收了紅外輻射和電子束,造成實際樣品處的功率下降很快。


為了滿足用戶對近常壓及特殊氣氛下的加熱需求,激光加熱被發展出來并廣泛的用于不同的實驗領域。激光加熱器使用光子來激發材料里面的電子作為傳熱的載體, 或者通過電流產生Joule Heating。 “熱加工”具有較高能量密度的激光束(它是集中的能量流),照射在被加工材料表面上,材料表面吸收激光能量,在照射區域內產生熱激發過程,從而使材料表面(或涂層)溫度上升,產生變態、熔融、燒蝕、蒸發等現象。


相比傳統電加熱方式,激光加熱無需考慮真空內部電路損耗以及熱絕緣問題,無需考慮設計屏蔽層,設備設計更為簡單。功率集中,熱損失小,額定功率200W的激光器,最大輸出功率可以到300W以上,集中在很小的區域內可以很快將樣品加熱到1000℃以上。


目前使用的激光器工作電壓12V,輸出功率=12V×設置電流。

28.檢漏儀里面的He質譜儀,如何工作的?與常用的SRS質譜儀有什么區別?

SRS的質譜儀的工作原理是四極桿質譜,通過四極桿上加的交流和直流的偏壓,從而實現對不同核質比的帶電粒子的選擇。其結構更加復雜,適用于很大范圍的質譜掃描分析。

而檢漏儀里面的四極桿,因為已經確定測試對象是He,所以實際結構會更加簡單,基本上靈敏區域就在4左右,實際工作時只要稍加調峰,確保最敏感的測試區域是針對He的即可。


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