安泰：高压放大器在金属材料的静电悬浮过程中的应用

实验名称：静电悬浮过程的优化设计与动态控制

实验目的：

通过多种技术手段，对现有静电悬浮系统进行了多方面的优化。从悬浮电极的形貌和尺寸以及定位光路考虑，实现了直径10mm固态金属材料的稳定悬浮。通过改进控制算法，提高了熔融样品悬浮过程中的形态和位置稳定性。增加了触发形核和液淬的功能，丰富了材料凝固过程研究的手段。并且把激光加热和测温相耦合，实现了悬浮样品温度的精确控制。

测试设备：高压放大器、位置敏感探测器、电脑等。

图1：静电悬浮装置示意图

实验过程：

静电悬浮中，对于直径3mm左右的样品，为了增加悬浮的稳定性，垂直方向一般选用半球形上电极和凹面下电极，且下电极直径大于上电极，上下电极之间的间距一般设定为10mm。如此，对于密度7g·cm-3直径3mm左右的样品，实验发现其起跳电压约为25kV。如果悬浮样品的直径增大至10mm，上下电极之间的间距需拉伸至15mm以上，那么起跳电压将在45kV以上。另外，对于同一样品，实验发现上大下小型的垂直电极组要比上小下大型的电极组的起跳电压小，因此为了尽可能提高系统的悬浮能力，需采用上大下小电极组合。而且，对于上大下小型电极组，电荷在样品顶端的分布更弥散，如此也有效避免了因电荷太集中而导致的样品与上电极之间的放电。

图2：静电悬浮配电方式的改进

本文采用了上下电极同时配电的方式，如图2所示，并进行了实验，发现给下电极接正电后，在成功悬浮样品的同时可以减小上电极的电压。这相当于把两个高压放大器串联起来，同时给上下电极之间提供电压。图3为实验测定的悬浮同一样品上电极起跳电压和悬浮电压随加载在下电极上的电压的变化。当下电极电压从0增大到5kV时，上电极起跳电压从9.5kV降低到5.8kV，而悬浮电压从8.2kV减小到3.3kV，因此在下电极上加载正电压和在上电极上加载负电压有相同的效果。另外，由于样品起跳是一个比较随机的过程，所以起跳电压的线性度没有悬浮电压好。

图3：上电极起跳电压和悬浮电压随下电极电压的变化：(a)起跳电压；(b)悬浮电压

实现大尺度样品悬浮的另一个关键点在于定位光路的改进。目前所使用的位置敏感探测器(PSD)光敏面尺寸为11mm，定位平行激光光束直径为10mm，这种组合对于实现直径10mm样品的悬浮是不可能的。悬浮10mm样品所需定位激光光束直径以及垂直方向上下电极之间间距都为15mm，因此为了使定位激光与位置敏感探测器相匹配，需通过透镜对光束进行变径。

图4：静电悬浮系统定位激光光路的改进

实验结果：

如图4所示，当定位激光通过样品后，在其光路上放置两个凸透镜，二者焦距比为3：2，即可把15mm的光束转变为10mm的光束，相对应样品在位置敏感探测器(PSD)光敏面上的投影直径也缩小了1.5倍。图5为稳定悬浮的10mmTi球和Fe球，其中Ti球的质量为2.36g，Fe球质量为4.12g。

图5：直径10mm样品的悬浮：(a)Ti；(b)Fe

实验中对静电悬浮过程进行优化设计，改变位置定位光路和配电方式，显著提高了静电悬浮能力，首次成功实现了直径10mm大尺寸金属材料的稳定悬浮。

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审核编辑 黄宇