一种粉尘爆炸微观动力学研究装置

本技术涉及可燃粉尘爆炸的微观动力学研究，特别是涉及一种粉尘爆炸微观动力学研究装置。

背景技术：

1、粉尘是工业上常见的一类呈微细粒子状态的固体粉末物质。很多固体物质如金属、煤炭、粮食、木材、纤维等的粉尘都具有可燃性。当粉尘在生产、干燥、运输、储存等过程中被扬起与空气混合后形成粉尘云。粉尘云遇到火源会迅速燃烧并发生爆炸。粉尘爆炸往往威力巨大、破坏性极强，给人们的生命和财产造成极大威胁。

2、粉尘爆炸研究需要牵扯到很多相关学科且难度较大，长期缺乏有效的实时原位表征手段，因而人们对爆炸的特征和机理的认识还不够明确、不够深入、不够系统，尚处于摸索阶段。这种局面急需改善，需要从根本上加强相关基础研究，进行深度探索，以便为粉尘爆炸研究的深入发展、寻找预防和抑制爆炸的新方法探索思路和条件。

3、人们对粉尘爆炸研究的基本思路都是通过测试爆炸原料和产物的静态结构、爆炸特性参数和火焰传播特征，总结粉尘爆炸规律，推测粉尘爆炸机理，制定相应的防爆和抑爆措施。爆炸原料和产物结构分析相对成熟，手段也很多，如电镜、光谱分析、热分析等，但这些手段只能得到静态结构和热力学特征，很难开展原位测试。爆炸特性参数测试普遍采用哈特曼管、20升球壳、1立方米容器等，以及一些研究者自制装置。火焰图像采集主要采用：高速摄像机、纹影仪、红外成像仪等，可研究火焰传播的宏观动力学。粉尘在纳米尺度上的扩散、聚集、解离是宏观爆炸过程的微观基础，无疑是粉尘爆炸的关键科学问题之一。但由于长期缺乏有效的监测手段和平台，在纳米尺度上的初级粉尘粒子的微观动力学研究还是空白。

4、粉尘的初级纳米尺度粒子正是小角x射线散射(saxs)这一物理方法研究的范畴(图1)。saxs可表征纳米尺度粒子的形状、尺寸及其分布、比表面、体积分数、分形维数、电子密度等。获得这些精细结构参数的时间分辨动态信息对于研究粉尘爆炸的微观动力学至关重要。随着同步辐射装置的发展，高强度同步辐射光源和快速探测器的应用，为开展原位动态时间分辨saxs研究创造了条件。但还需要开发相应的粉尘爆炸装置，以便集成到同步辐射saxs仪器上。

5、如前所述，20升球壳是通用的研究粉尘爆炸的主流装置之一，但还需要对其进行改进，加装通x光的窗口，开发集成控制系统，以便监测粉尘粒子扩散的微观动力学。因此设计一种粉尘爆炸微观动力学研究装置是十分有必要的。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种粉尘爆炸微观动力学研究装置，利用同步辐射x射线透过爆炸球壳上的金刚石进光窗口，照射腔体内的粉尘，透射光和散射信号透过球壳上的金刚石出光窗口后被saxs探测器接收，更便利地进行粉尘粒子扩散的微观动力学研究。

2、为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

3、一种粉尘爆炸微观动力学研究装置，包括同步辐射saxs仪器，还包括：底架、球壳、点火组件、观测组件、通x光组件、喷粉组件、计算机、信号发生器及时序控制器，所述底架的顶部设置所述球壳，所述底架的内部设置所述喷粉组件，所述喷粉组件连接所述球壳，所述球壳的顶部设置点火组件，且所述点火组件的点火端伸入所述球壳的内部，所述球壳的侧面中心设置所述观测组件，所述球壳的侧面中心下部设置所述通x光组件，所述球壳设置在所述同步辐射saxs仪器的样品腔处，且所述球壳不与同步辐射saxs仪器发生接触，所述球壳的通x光组件正对所述同步辐射saxs仪器的光路，所述同步辐射saxs仪器、点火组件、喷粉组件连接所述时序控制器，所述时序控制器连接所述信号发生器，所述信号发生器连接所述计算机。

4、可选的，所述观测组件包括观察窗、压力传感器接口、抽气接口及备用接口，沿通过球心的水平面与球壳的所交的圆上设置一个压力传感器接口、一个抽气接口、两个观察窗和两个备用接口，两个所述观察窗关于球心对称设置，所述抽气接口与所述压力传感器接口关于球心对称设置，所述压力传感器接口及所述抽气接口均与观察窗的水平夹角为90°，两个所述备用接口关于球心对称设置，与观察窗和压力传感器接口的水平夹角均为45°。

5、可选的，所述点火组件包括点火法兰组件、法兰钳口及点火杆，所述球壳的顶部中心设置有开口，所述开口处设置所述法兰钳口，所述法兰钳口的顶部设置所述点火法兰组件，所述点火法兰组件上设置所述点火杆，所述点火杆的一端伸入所述球壳的球心处，且设置点火头，所述点火杆的另一端设置在点火法兰组件的顶部外，且连接点火电极。

6、可选的，所述通x光组件包括入光口及出光口，所述入光口设置在所述抽气接口正下方，所述入光口正对面设置所述出光口，同步辐射saxs仪器的光路与入光口与出光口的连线重合。

7、可选的，所述入光口及出光口上分别固定入光口法兰及出光口法兰，所述入光口法兰及出光口法兰侧分别固定有入光口法兰通光窗口及出光口法兰通光窗口，用于密封所述入光口及出光口，窗口材料为金刚石片，所述入光口为正方形，尺寸为3mm*3mm，所述出光口为长方形，尺寸为14.5mm*2mm，所述进光口金刚石片长宽厚分别为5mm、5mm、0.2mm，所述出光口金刚石片长宽厚分别为16mm、4mm、0.2mm。

8、根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供的粉尘爆炸微观动力学研究装置，x光出光口为长条状，方便用较薄的透光片来密封窗口，并获得合适的散射角度；透光密封材料选用单晶金刚石片，拥有更好的的耐压和透x光性能；集成控制系统，实现粉尘爆炸过程的时间分辨saxs测量，可以表征纳米尺度上的初级粉尘粒子的形状、尺寸及其分布、比表面、体积分数、分形维数、电子密度等结构参数的变化。

技术特征：

1.一种粉尘爆炸微观动力学研究装置，包括同步辐射saxs仪器，其特征在于，还包括：底架、球壳、点火组件、观测组件、通x光组件、喷粉组件、计算机、信号发生器及时序控制器，所述底架的顶部设置所述球壳，所述底架的内部设置所述喷粉组件，所述喷粉组件连接所述球壳，所述球壳的顶部设置点火组件，且所述点火组件的点火端伸入所述球壳的内部，所述球壳的侧面中心设置所述观测组件，所述球壳的侧面中心下部设置所述通x光组件，所述球壳设置在所述同步辐射saxs仪器的样品腔处，且所述球壳不与同步辐射saxs仪器发生接触，所述球壳的通x光组件正对所述同步辐射saxs仪器的光路，所述同步辐射saxs仪器、点火组件、喷粉组件连接所述时序控制器，所述时序控制器连接所述信号发生器，所述信号发生器连接所述计算机。

2.根据权利要求1所述的粉尘爆炸微观动力学研究装置，其特征在于，所述观测组件包括观察窗、压力传感器接口、抽气接口及备用接口，沿通过球心的水平面与球壳的所交的圆上设置一个压力传感器接口、一个抽气接口、两个观察窗和两个备用接口，两个所述观察窗关于球心对称设置，所述抽气接口与所述压力传感器接口关于球心对称设置，所述压力传感器接口及所述抽气接口均与观察窗的水平夹角为90°，两个所述备用接口关于球心对称设置，与观察窗和压力传感器接口的水平夹角均为45°。

3.根据权利要求1所述的粉尘爆炸微观动力学研究装置，其特征在于，所述点火组件包括点火法兰组件、法兰钳口及点火杆，所述球壳的顶部中心设置有开口，所述开口处设置所述法兰钳口，所述法兰钳口的顶部设置所述点火法兰组件，所述点火法兰组件上设置所述点火杆，所述点火杆的一端伸入所述球壳的球心处，且设置点火头，所述点火杆的另一端设置在点火法兰组件的顶部外，且连接点火电极。

4.根据权利要求2所述的粉尘爆炸微观动力学研究装置，其特征在于，所述通x光组件包括入光口及出光口，所述入光口设置在所述抽气接口正下方，所述入光口正对面设置所述出光口，同步辐射saxs仪器的光路与入光口与出光口的连线重合。

5.根据权利要求4所述的粉尘爆炸微观动力学研究装置，其特征在于，所述入光口及出光口上分别固定入光口法兰及出光口法兰，所述入光口法兰及出光口法兰侧分别固定有入光口法兰通光窗口及出光口法兰通光窗口，用于密封所述入光口及出光口，窗口材料为金刚石片，所述入光口为正方形，尺寸为3mm*3mm，所述出光口为长方形，尺寸为14.5mm*2mm，所述进光口金刚石片长宽厚分别为5mm、5mm、0.2mm，所述出光口金刚石片长宽厚分别为16mm、4mm、0.2mm。

技术总结
本技术提供了一种粉尘爆炸微观动力学研究装置，底架的顶部设置有球壳，底架的内部设置有喷粉组件，喷粉组件连接球壳，球壳的顶部设置有点火组件，且点火组件的点火端伸入球壳的内部，球壳的侧面中心设置有观测组件，球壳的侧面中心下部设置有通X光组件，球壳设置在同步辐射SAXS仪器的样品腔处，且球壳不与同步辐射SAXS仪器发生接触，通X光组件正对同步辐射SAXS仪器的光路，同步辐射SAXS仪器、点火组件、喷粉组件连接有时序控制器，时序控制器连接有信号发生器，信号发生器连接有计算机。本技术的目的是提供一种粉尘爆炸微观动力学研究装置，能够透过X光，与SAXS仪器组合作用，更便利地进行粉尘粒子扩散的微观动力学研究。

技术研发人员：李志宏,赵毅鑫,曹雄,武海娟,韩庆夫,魏书军,张泽斌,李文敏,孙英峰,秦清风
受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所
技术研发日：20230526
技术公布日：2024/1/15