显微观察时样品温度可控装置的研制

2013-04-09  来源:

立项年度:2011    负责人:刘美蓉

完成年度:未完成   完成单位:中国科学院化学研究所

一、项目科学意义、主要作用

科研过程中,我们经常需要通过显微镜实时、在线地观察样品不同温度的微观光学特征。INSTEC公司的显微镜变温装置,只可以用长工作距离物镜观察,一般物镜的工作距离不足以观察到样品;Tokai Hit的变温装置需要有合适的载物台匹配,并不适合所有光学显微镜;国产的加热装置主要是对样品的圆型托盘进行加热,长时间使用会有损载物台,会影响载物台与样品托盘的连接。

因此,我们希望设计一种可使用普通物镜、对载物台安全,可广泛应用于普通光

学显微镜的加热装置。

 

二、仪器部件构成(一到两张图片)

加热装置包括机械紧固系统、加热体壳和USB接口控制系统。

机械紧固系统主体由外盖、主件、底环组成。外盖与主件由缩口锥螺纹耦合,通过底环限制主件的周向移动,通过缩口锥螺纹可以达到加热器的移动紧固而实现载物皿的机械紧固。

加热体壳为四个完全相同的四分之一圆环形加热体壳段。加热体壳段由主件和内盖组成。加热体壳段内部为缠绕电热丝的铜片,通过电流使电热丝发热;加热体壳段内盖为导热性能良好的导热体,主件为导热性差的绝热体。这样减少了热量损失,加速了热量向载物皿的传递,降低了加热器外壁的温度,确保载物台安全。

控制系统分为温度感受模块、信号处理模块、程序控制模块和加热模块。温度感受模块由多个均匀分布在加热器体壳腔内壁面的铂电阻组成;信号处理模块包括放大电路和模拟信号、数字信号转换装置,作用是将感受器的信号放大和处理,通过USB接口传给上位机,同时将上位机的反馈信号转换放大处理后传递给加热器;程序控制模块是由上位机的控制程序完成工作的,通过该程序,使用者输入设定值并实时观察温度变化情况;加热模块是由加热体壳腔里的电热丝来执行的。

本加热装置简化加热,采用四周加热,大大减少了加热设备的高度,在显微镜上可使用普通物镜观察;加热器主件、外盖、底环使用绝热材料,降低了加热器外壁温度,确保载物台安全;控制台采用USB接口控制,由上位机程序控制加热过程和输入输出,操作简便、加热快速、精度高。

图1 加热器整体剖视图

 

1-底环  2-外盖  3-缩口锥螺纹  4-主件  5-内盖  6-内盖内壁面

7-加热体壳腔内壁面  8-加热体加热丝  9-热电阻  10-加热体壳段

 图2 加热器实物图

 

三、存在问题及解决办法

1.壁面与中心热阻过大,导致中心温度与壁面温差过大;

解决办法:改变载物皿材料,用导热塑料和盖玻片自制一批载物皿,并对加热器外表面用绝缘材料进行保温;

2.温度响应时间长,控温精度差,约为±2 ℃;

解决办法:调整温控仪的PID参数,并通过编制程序控温,提高响应时间和精度;

3.铝传热快,导致加热器外壁温度高。

解决办法:主件、外盖及底环用聚四氟乙烯加工。

 

四、下一步工作

1.做不同室温下的壁面温度、中心温度曲线图,拟合成函数;

2.增加采样点,对实验数据进行统计分析;

3.完成上位机程序控温软件系统;

4.尽量简化加热及控制系统;

5.显微镜在线调试。

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