专利名称：一种微球分离方法与筛选系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及对微球快速精确的分离方法研究并设计筛选系统，属于靶丸筛选领域。
背景技术：
激光惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)是实现热核聚变的技术 手段之一，对于人类的能源有着深远的意义，在这种反应中需要大量的靶丸(即说明书里 所述的微球)。在制作靶丸之前，必须对批量生产出的球壳进行筛选，剔除劣质球，选出优质 球，然后对拟用作靶丸的球再逐个进行参数测量以挑选出几何参数一致、能用于制靶的球 壳。为了得到合格的靶丸，初期的制靶量非常大，如果采用人工方法分离，其工作量之大、困 难之多，令人难以承受。且靶丸具有粘性强，易聚团，直径很小，不便于观察与计数，且分布 范围广(直径分布约为100 400 m)，分离精度要求高(1 P m之内)，结构脆弱等特点，对 操作提出了更高的要求，此外，需要采用批处理的措施，对分离速度要求更高。
目前国内外对靶丸的处理以测量居多，而具体的分离技术偏少，如美国通用原子 公司(General Atomics) R.B. St印hens等人于1995年发展了基于X射线照相，利用计算机 软件对多层球X光图像进行分析，获取多层球壁厚数据，实现了微球壁厚的非破坏性测量， 其特点是测量精度可达0.3iim。中国工程物理研究院核物理与化学研究所将图像处理系统 与Leitez干涉显微镜和TM-50显微镜连接，将离线测量转变为在线测量。此外，有扫描电 子显微镜(SEM)法、X射线法以及利用原子力显微镜(AFM)等测量靶球表面形貌的方法，这 种方法的优点是精度高，但费时费力，而且筛选效率低。如果做成过滤网形式可以在一个平 面上同时进行分离，速度快，但是由于筛孔本身精度太低，且提高精度没有空间。
但是单纯依靠靶丸自由上浮会导致靶丸聚团，全部聚集在窄缝下部，需要设法驱 散靶丸并加快分离速度。采用诸如超声振荡等振荡方式并不能将靶丸从瓶壁移开，耙丸仍 在原来的位置附近聚团振动。采用诸如磁力搅拌器带动搅拌子搅拌工作液体等搅动方式， 如果不添加隔离网，直接把靶丸放在容器里，虽能很好的分离，但是搅拌子对靶丸的破坏性 很大，若加上目数比靶丸略小的隔离网，将靶丸放在网面上，搅拌子在网面下搅动，在搅拌 子转速较低时，上层液体几乎不流动，当搅拌子的转速逐渐增大时，网面下水流形成漩涡， 网面与漩涡水流形成中空，上层液体由于网面的隔断因素，任然几乎不流动，耙丸既不上浮 也不分散，任然粘附在网面上。
发明内容
本发明的目的是提出一种筛选微球的方法并设计一套筛选系统，该系统采用窄缝 筛选原理，提高了微球筛选效率，降低了微球筛选工作强度；采用脉冲水流筛选方式，在水 压与水流周期性反复启停和上下扰动下，驱使微球分散并通过窄缝，防止微球被破坏，保证 了微球筛选质量；采用高精度工作台提高窄缝的精度与可调节性，从而能对各种尺寸的微 球进行精确筛选，确保了微球筛选精度；采用计算机自动控制，操作简单方便。
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本发明的技术方案如下 —种微球分离方法，其特征在于该方法采用静片与动片组成窄缝，在窄缝底部喷 射脉冲水流，在水流的周期性启停扰动的作用下驱动微球分散并通过窄缝，防止微球堵塞 窄缝，并通过调节窄缝宽度大小实现不同直径范围的微球筛选。 —种所述分离方法的微球筛选系统，其特征在于该系统包括窄缝单元、窄缝设定 与测量单元、微球扰动装置和数据采集及控制单元，所述的窄缝单元包括分离容器、静片、 动片、收集网和连接板，所述的静片、动片和收集网设置在分离容器内部，所述的连接板设 置在分离容器的下部，静片与动片之间形成窄缝，连接板的中间设有倒漏斗的空腔，分离容 器与连接板之间设有连通孔，所述的空腔的上部与窄缝相连通；窄缝设定与测量单元包括 工作台和窄缝显示器件，所述的窄缝显示器件通过USB数据线与数据采集及控制单元相连 接，动片固定在工作台上，窄缝显示器件与动片的后端面紧密接触；微球扰动装置由外部容 器、内部容器、细水管和分离网组成，内部容器上端放置分离网，内部容器和细水管相连通。
所述的微球筛选系统，其特征在于该系统还包括升降装置，所述的微球扰动装置 安装在升降装置上。 所述的内部容器通过切向进水口与细水管相连通，所述的切向进水口采用三个。 所述的数据采集及控制单元包括微处理器、水流控制模块、升降模块和计算机，所
述的微处理器与计算机通过RS232进行通信；所述的水流控制模块包括继电器、第一电磁
阀、第二电磁阀和齿轮泵，所述的继电器由微处理器提供信号，分别控制第一电磁阀、第二
电磁阀和齿轮泵进行水流调节；所述的升降模块由微处理器提供信号，控制步进电机，步进
电机带动升降台；所述的窄缝设定与测量单元通过USB数据线与计算机连接。 本发明与现有技术相比，具有以下优点即突出性效果一、采用窄缝筛选微球的方
法提高了微球筛选效率，降低了微球筛选工作强度；二、采用脉冲水流方法充分驱散微球并
通过窄缝，防止微球粘附聚团与被破坏，保证了微球筛选质量；三、采用高精度工作台带动
窄缝动片，窄缝显示单元实时显示窄缝宽度，通过窄缝的微球尺寸与窄缝宽度相对应，确保
微球筛选精度；四、整个系统由计算机软件界面控制，各种参数修改直观容易，操作简单。
图l本发明的筛选原理图。图2是本发明的脉冲水流量-时间关系示意图。图3是本发明窄缝单元结构示意图(正视图)。图4是本发明窄缝设定与测量单元结构示意图(正视图)。图5是本发明微球扰动装置结构示意图(正视图)。图6是本发明微球扰动装置结构示意图(俯视图)。图7是本发明升降装置结构图(正视图)。图8是本发明系统结构示意图(正视图)。图9是本发明数据采集及控制单元框图。图10是本发明水流控制模块逻辑框图。图11是本发明水流控制模块结构示意图(正视图)。图12是本发明微处理器主程序与中断定时程序单元逻辑框图。
图13是本发明计算机程序初始化与程序控制逻辑框图。 图中l-工作台；2-窄缝显示器件；3-静片；4_动片；5_窄缝；6_分离容器；7_外 部容器；8-升降台；9-第一电磁阀；10-第二电磁阀；ll-齿轮泵；12_收集网；13_连接板； 14-连通孔；15-细水管；16-内部容器；17-分离网；18_升降台台面；19_步进电机；20-控
制电路；21-开关电源；22-方盒；23-支撑底座；24-工作台控制器；25-固定夹；26-空腔。
具体实施例方式
下面结合图例对本发明提供的微球分离方法与筛选系统的原理、系统结构和分离
实施步骤做进一步的说明。 微球分离方法采用窄缝筛选微球的原理(如图1所示)，该方法采用静片3与动 片4组成窄缝5，在窄缝5底部喷射脉冲水流，在水流的周期性启停扰动的作用下驱动微球 分散并通过窄缝，防止微球堵塞窄缝，并通过调节窄缝宽度大小实现不同直径范围的微球 筛选。即通过采用静片3与可调节动片4形成窄缝5来筛选放置在分离网17上的大量微 球，为了加速分离，并防止微球堵塞窄缝和微球被破坏，在窄缝5底部设置细水管15喷射脉 冲水流，每个脉冲水流的间歇时间与工作时间可以重新设定，脉冲水流量-时间关系如图2 所示。 —种微球分离筛选系统包括窄缝单元、窄缝设定与测量单元、微球扰动装置、升降 装置、数据采集及控制单元。如图3所示为本发明窄缝单元结构示意图，该单元包括分离容 器6、静片3、动片4、收集网12和连接板13，所述的静片3、动片4和收集网12设置在分离 容器6内部，所述的连接板13设置在分离容器6的下部，静片3与动片4之间形成窄缝5， 连接板13的中间设有倒漏斗的空腔26，分离容器6与连接板13之间设有连通孔14，所述 空腔26的上部与窄缝5相连通，分离后的水流在空腔26内能透过收集网12经连通孔14 流出，分离后的微球留在收集网12内，水流流动方向见图3箭头所示；如图4所示为本发明 窄缝设定与测量单元示意图，该单元包括工作台1和窄缝显示器件2，所述的窄缝显示器件 2通过USB数据线与数据采集及控制单元相连接，动片4固定在工作台1上，窄缝显示器件 2与动片4的后端面紧密接触；如图5与图6所示为本发明微球扰动装置结构示意图，该装 置由外部容器7、内部容器16、细水管15、分离网17组成，所述的内部容器16设有三个切向 进水口，切向进水口与细水管15相连通并与内部容器16导通，内部容器16上端放置分离 网17，水流流动方向见图5与图6中箭头示意；如图7所示为本发明升降装置结构图，升降 台8由步进电机19带动，所述的微球扰动装置通过升降台台面18安装在升降装置上；如图 8所示为本发明系统结构示意图，所述的升降装置上升带动微球扰动装置使其内部容器16 上端的分离网17通过密封圈与窄缝单元的连接板13紧密接触，通过窄缝设定与测量单元 可以进行窄缝宽度大小设定与测量，系统控制电路20和开关电源21安装在方盒22内部， 工作台控制器24通过数据线与工作台l连接；如图9所示为本发明数据采集及控制单元框 图，该单元包括微处理器、水流控制模块、升降模块和计算机，微处理器提供信号给水流控 制模块和升降模块，最终系统由计算机软件控制；如图IO所示为本发明水流控制模块逻辑 框图，该模块包括三个继电器、第一电磁阀9、第二电磁阀10和齿轮泵11，所述的继电器由 微处理器提供信号，分别控制第一电磁阀9、第二电磁阀10和齿轮泵11进行水流调节，产 生脉冲水流与冲洗水流；如图11所示为本发明水流控制模块结构示意图，该结构包括第一电磁阀9、第二电磁阀IO和齿轮泵ll，产生的脉冲水流与冲洗水流流动方向见图11中箭头 示意，脉冲水流经过所述微球扰动装置的细水管15到达外部容器7，然后进入内部容器16， 进行微球筛选，冲洗水流直接对窄缝单元和微球扰动装置进行冲洗；升降模块由微处理器 提供信号，控制步进电机19，步进电机19带动升降台8 ;窄缝设定与测量单元通过USB数据 线与计算机连接；如图12所示为本发明微处理器信号驱动主程序与中断定时程序单元逻 辑框图，中断定时程序单元设有步进电机19正转模块、步进电机19反转模块、定时器计数 模块；如图13所示为本发明计算机程序初始化与程序控制逻辑框图，程序初始化主要完成 窄缝5闭合、工作台1运动数据置零、窄缝显示器件2数据置零和控制电路20串口初始化， 控制部分主要完成窄缝5设置、窄缝测量显示、升降台8上升、微球筛选、升降台8下降和冲 洗。 —种微球分离方法采用如下实施步骤放置微球在分离网17上；启动计算机软 件，窄缝设定与测量单元开始工作，窄缝5自动回参考位闭合；软件控制升降装置上升，微 球扰动装置的内部容器16通过密封圈与连接板13紧密结合；设定筛选窄缝宽度，工作台1 带动动片4开始运动，窄缝显示器件2实时测量，直到所需窄缝宽度；启动水流控制模块，注 入脉冲水流，开始筛选；收集网12收集筛选出的微球；启动升降装置让升降台8下降到底 部参考位；注入水流清洗窄缝单元和微球扰动装置。
权利要求
一种微球分离方法，其特征在于该方法采用静片(3)与动片(4)组成窄缝(5)，在窄缝(5)底部喷射脉冲水流，在水流的周期性启停扰动的作用下驱动微球分散并通过窄缝(5)，防止微球堵塞窄缝，并通过调节窄缝宽度大小实现不同直径范围的微球筛选。
2. —种采用如权利要求1所述方法的微球筛选系统，其特征在于该系统包括窄缝单 元、窄缝设定与测量单元、微球扰动装置和数据采集及控制单元，所述的窄缝单元包括分离 容器(6)、静片(3)、动片(4)、收集网(12)和连接板(13)，所述的静片(3)、动片(4)和收 集网(12)设置在分离容器(6)内部，所述的连接板(13)设置在分离容器(6)的下部，静片 (3)与动片(4)之间形成窄缝(5)，连接板(13)的中间设有倒漏斗的空腔(26)，分离容器(6) 与连接板(13)之间设有连通孔(14)，所述的空腔(26)的上部与窄缝(5)相连通；窄缝 设定与测量单元包括工作台(1)和窄缝显示器件(2)，所述的窄缝显示器件(2)通过USB数 据线与数据采集及控制单元相连接，动片(4)固定在工作台(1)上，窄缝显示器件(2)与动 片(4)的后端面紧密接触；微球扰动装置由外部容器(7)、内部容器(16)、细水管(15)和分 离网(17)组成，内部容器上端放置分离网(17)，内部容器(16)和细水管(15)相连通。
3. 按照权利要求2所述的微球筛选系统，其特征在于该系统还包括升降装置，所述的 微球扰动装置放置在升降装置上。
4. 按照权利要求2所述的微球筛选系统，其特征在于所述的内部容器(16)通过切向 进水口与细水管(15)相连通，所述的切向进水口采用三个。
5. 按照权利要求2所述的微球筛选系统，其特征在于所述的数据采集及控制单元包 括微处理器、水流控制模块、升降模块和计算机，所述的微处理器与计算机通过RS232进行 通信；所述的水流控制模块包括三个继电器、第一电磁阀(9)、第二电磁阀(10)和齿轮泵 (ll)，所述的三个继电器由微处理器提供信号，分别控制第一电磁阀(9)、第二电磁阀(10) 和齿轮泵(11)进行水流调节；所述的升降模块由微处理器提供信号，控制步进电机(19)， 步进电机带动升降台(8);所述的窄缝设定与测量单元通过USB数据线与计算机连接。
全文摘要
一种微球分离方法与筛选系统，适合于对靶丸进行筛选分离。该方法采用静片与动片组成窄缝，在窄缝底部喷射脉冲水流，在水流的周期性启停扰动作用下驱动微球分散并通过窄缝，防止微球堵塞窄缝，通过调节窄缝宽度大小实现不同直径范围的微球筛选。该系统包括窄缝单元、窄缝设定与测量单元、微球扰动装置、升降装置、数据采集及控制单元。本发明具有以下优点采用窄缝筛选微球的方法提高了微球筛选效率；采用脉冲水流方法充分驱散微球并通过窄缝，保证了微球筛选质量；采用高精度工作台带动动片，确保了微球筛选精度；整个系统由计算机软件界面控制，各种参数修改直观容易，操作简单。
文档编号G05B19/04GK101716550SQ20091023772
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者唐飞, 王晓浩, 钟伦超, 龚涛 申请人:清华大学