Устройство для измерения параметров кинетики кристаллизации
Изобретение относится к области измерений физико-химических свойств веществ. Устройство включает измерительную ячейку, в которую помещают образец с исследуемым веществом, изображение которого регистрируется при помощи видеокамеры с синхронной записью температуры исследуемого вещества. Устройство обеспечивает оперативное изменение температуры исследуемого вещества путем теплового контакта образца с жидким либо газообразным теплоносителем, который прокачивается через измерительную ячейку и температурой которого динамически управляют. Технический результат - повышение точности измерений. 4 ил.
Изобретение относится к области измерений физико-химических свойств веществ и предназначено для измерения линейной скорости роста кристаллов и скорости образования (зарождения) центров кристаллизации в процессе кристаллизации расплава или в процессе образования кристаллов из раствора.
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
-- измерительная ячейка - приспособление, обеспечивающее крепление образца, его контакт с теплоносителем и возможность инструментального видеонаблюдения за исследуемым веществом;
-- образец - контейнер, в который помещено исследуемое вещество;
-- запись динамики температуры - запись ряда значений температуры в точке либо поля температур через заданный интервал времени;
-- синхронная запись динамики температуры - запись динамики температуры одновременно с видеозаписью, с возможностью сопоставить каждому кадру видеозаписи значение температуры образца на момент записи данного видеокадра;
-- управление температурой теплоносителя - максимально возможно быстрое получение заданной температуры теплоносителя путем нагрева, охлаждения либо смешивания потоков теплоносителя с разной температурой;
-- АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
-- ПО - программное обеспечение.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны способы определения скоростей образования и роста кристаллов в малых объемах [2…3]. Общим недостатком этих методов является ограничение по максимальной регистрируемой скорости роста и зарождения. Вышеприведенные методы применимы для измерения параметров кинетики кристаллизации медленно кристаллизующихся веществ, таких как салол, бензофенон, и непригодны для измерения параметров кинетики кристаллизации легко кристаллизующихся веществ, например, таких как нафталин, дифенил, флуорен и др. Кроме того, вышеприведенные методы не позволяют определять параметры кинетики кристаллизации отдельного монокристалла.
Устройство, опубликованное в [1], наиболее близко к предложенному в настоящем изобретении и выбрано в качестве прототипа, существенным недостатком которого является отсутствие возможности резкой смены температуры исследуемого вещества, что ограничивает диапазон переохлаждений расплава и не позволяет зарегистрировать параметры кинетики кристаллизации легко кристаллизующихся веществ, несмотря на то, что видеокамера, использованная в устройстве [1], позволила бы получить необходимую для этого видеозапись.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения, увеличение диапазона регистрируемых параметров кинетики кристаллизации, упрощение процесса измерения.
Для измерения линейной скорости роста кристаллов и скорости образования центров кристаллизации необходимо переохладить исследуемый расплав или раствор до требуемой величины переохлаждения. Причем чем больше скорость изменения температуры исследуемого вещества, тем меньше времени потребуется на процесс охлаждения и тем точнее будет измерение вышеназванных параметров кинетики кристаллизации, а также появится возможность добиться кратковременного переохлажденного (метастабильного) состояния расплава легкокристаллизующихся веществ.
Настоящее устройство позволяет максимально быстро менять температуру исследуемой смеси, а также фиксировать момент возникновения и динамику изменения размера отдельных кристаллов, что позволяет непосредственно измерять скорость зарождения и роста кристалла в промежутке времени, максимально приближенном к моменту образования кристалла. При этом минимально влияние эффектов, тормозящих скорость роста кристалла вследствие изменения температурного и концентрационного полей вблизи движущегося кристаллического фронта. Устройство позволяет получать кривую накопления центров кристаллизации, образующихся в пределах наблюдаемого участка слоя расплава. Устройство обладает оперативностью измерения и простотой подготовки образца.
На фиг.1 представлен вариант измерительного устройства, которое включает в себя персональный компьютер 9, карту видеозахвата - видеотюнер 10, блок АЦП 8, подключенный к порту ввода-вывода 12, оптическую систему микроскопа 6, видеокамеру 7, которая подключена к карте видеозахвата 10, и термический блок, отвечающий за установление необходимой температуры образца. Термический блок выполнен по принципу динамической стабилизации температуры потока воздуха и содержит центробежный вентилятор 1, нагнетающий воздух в прямоугольный канал 2, в котором установлен малоинерционный нагреватель. Управление мощностью нагрева осуществляется при помощи регулируемого источника напряжения 3. Воздух по прямоугольному каналу поступал в измерительную ячейку 4 и далее в вытяжку 5. Две грани ячейки были выполнены из стекла для обеспечения возможности наблюдения за исследуемым веществом посредством микроскопа 6. В измерительной ячейке предусмотрена возможность фиксации и оперативной смены образца. Образец представлял из себя два покровных стекла, между которыми находился слой исследуемого вещества. Таким образом образец расположен в прямоугольном канале с потоком воздуха заданной температуры. Наблюдение образца возможно как в отраженном, так и в проходящем свете. Измерительная ячейка располагается так, что слой исследуемого вещества находится в фокусе объектива микроскопа 6. Возможность сдвига образца обеспечивает выбор удачного участка для наблюдения, что может быть востребовано, например, при наличии в слое исследуемого вещества механических примесей. Изображение участка слоя исследуемого вещества проецируется на матрицу видеокамеры 7, видеосигнал с которой поступает в модуль видеотюнера 10 в составе персонального компьютера. Температуру образца измеряли про помощи датчика температуры 15, которым служил термистор. Запись температуры производили путем оцифровки сигнала термистора с помощью АЦП 8 и соответствующего программного обеспечения 13, которое вместе с программным обеспечением для видеозахвата 11 служило для синхронной записи видеоряда и динамики температуры исследуемого вещества на устройство хранения данных, которым служил твердый диск 14 в составе персонального компьютера 9.
Применение инфракрасного тепловизора вместо видеокамеры видимого диапазона может позволить по термическому эффекту кристаллизации более точно определять момент образования центров кристаллизации. Также возможно применение жидкофазного теплоносителя и автоматического регулятора температуры теплоносителя, применение рентгеновских методов для получения изображения исследуемой смеси. Для управления температурой теплоносителя также можно использовать смеситель горячего и холодного потоков теплоносителей.
На фиг.2 представлен график изменения температуры при проведении серии измерений параметров кинетики кристаллизации смеси флуорен (52.2%) - 2 метилнафталин (47.8% масс.). Указана температура начала кристаллизации (ликвидуса) смеси Tliq. Зависимость температуры, полученная с сигнала термистора, пересчитывалась в зависимость температуры в образце. Охлаждением образца с различной скоростью добивались кратковременного получения метастабильного состояния исследуемого вещества при различных величинах переохлаждения.
На фиг.3, 4 представлены кадры видеоряда кристаллизации нафталина и флуорена соответственно, указана температура образца в °C на момент записи видеокадра.
ЛИТЕРАТУРА
1. Li Lian, Lu Taijing, Kazufumi Sakai, Tomoya Ogawa // In situ observation of subcritical crystalline particles and their behavior on growth of KDP crystals from aqueous solution by light-scattering technique // J. Mater. Res. (Materials Research Society), Vol.7, No. 12, Dec 1992, pp.3275-3279 (Received 01.04.1992). http://www.mrs.org/s_mrs/bin.asp?CID=3145&DID=187947&DOC=FILE.PDF
2. Тимофеева В.А. Рост кристаллов из растворов-расплавов. М., "Наука", 1978.
3. SU 971922, 07.11.1982, МПК C30B 9/00. Способ определения скорости роста кристаллов из раствора.
Устройство для измерения параметров кинетики кристаллизации, включающее измерительную ячейку, в которую помещают образец с исследуемым веществом, микроскоп, фокусирующий изображение исследуемого вещества на матрице видеокамеры в инфракрасном, видимом либо рентгеновском диапазонах, и устройство для записи видеоряда изображения исследуемого вещества, отличающееся тем, что позволяет синхронно с видеозаписью регистрировать динамику температуры исследуемого вещества при помощи датчика температуры, находящегося в измерительной ячейке, и/или при помощи вышеупомянутого микроскопа для инфракрасного диапазона (тепловизора), причем с целью оперативного изменения температуры исследуемого вещества обеспечен тепловой контакт образца с жидким либо газообразным теплоносителем, который прокачивается через измерительную ячейку, например, при помощи вентилятора, а для управления температурой теплоносителя устройство содержит регулятор температуры, который управляет нагревателем теплоносителя, и/или смесителем горячего и холодного потоков теплоносителей.
