CN101318657A - 一种亚稳态储能粒子－SiO(b3П)的合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种亚稳态储能粒子－SiO(b³∏)的合成装置，高温热解炉为管式结构，其由外向内依次为密封外壳、保温层和炉膛，在炉膛的中部轴向设置有热电偶，炉膛外壁缠绕有电热丝；SiH₄储气瓶经气体混合器与高温热解炉的气体入口相连，在高温热解炉的气体出口外侧设置有N₂O喷嘴，喷嘴经气体混合器与N₂O储气瓶相连，N₂O与高温热解炉气体出口的主气流相交反应，在反应区的外侧沿高温热解炉的径向设置有观测筒，观测筒与真空系统连接，观测筒外端依次设置有透镜和光谱仪；光谱仪通过线路与计算机信号连接。本发明操作简单，易于实现，性能稳定且易于放大，可以为将来的Na、Tl、Ga等原子激光器提供能源。

Description

一种亚稳态储能粒子-SiO(b3П)的合成装置

技术领域

本发明涉及一种高温合成亚稳态储能粒子SiO(b³∏)的装置。它的主要用途是合成高浓度的SiO(b³∏)储能粒子，为Na、Tl、Ga等原子激光器提供能源。该装置的最大特点是操作简单，易于实现，性能稳定且易于放大。该装置的成功建立，为Na、Tl、Ga等原子激光器研究提供了前提条件。特别是Na原子激光器，是目前激光器研究的一个热点。

背景技术

上世纪80年代，研究人员就发现亚稳态的SiO(b³∏)是一种很好的储能粒子，其能量接近3.5eV，寿命在10ms量级。实验证实SiO(b³∏)可以与Tl(535nm)、Ga(417nm)、Na(569、616nm)等原子发生高效的近共振传能并将这些原子从基态激发到激发态。研究表明Na原子与SiO(b³∏)的近共振传能是最容易实现且最有效的。由此形成了钠原子化学激光的概念，其最佳发光波长在569nm，属于可见波段。目前存在的化学激光都处在红外波段，因此钠原子化学激光延伸了目前化学激光的波长范围，也表现出了一些独特的应用前景。

SiO(b³∏)是钠原子化学激光的能源。如何简单、高效地合成SiO(b³∏)是目前研究的一个关键问题。通过气相单质硅原子和N₂O反应生成SiO(b³∏)是目前最常用的方法。在以往的大部分研究中，气相Si原子都是通过蒸发单质Si产生的。这种方法的主要缺点是需要的温度过高(超过1600℃)，而且产生的Si原子的浓度低。少数几个研究SiO光谱的实验中，使用了不同的裂解SiH₄的方法来获取气相Si原子，其中包括直流放电解离和激波解离，这两个方法共同的问题是难于控制、产物复杂、光谱测试干扰大。为了避免上述方法的局限，美国人J.M.Stephens通过热解SiH₄产生Si原子，建立了一种易于控制和放大的SiO(b³∏)合成实验装置。但是J.M.Stephens的装置对材料要求严格，成本较高且难以实现。本发明在J.M.Stephens技术路线的基础上，建立了一个结构完全不同的装置，成功合成了高浓度的SiO(b³∏)粒子。同时该装置对材料的要求较低，易于实现，而且操作简单，性能稳定。该装置的建立为相应的金属原子激光器特别是Na原子激光器的研究奠定了基础。

Na原子激光器的工作原理如下：

Si(³P)+N₂O→SiO(b³∏，a³∑，A¹∏)+N₂         (1)

Si(b³∏)+Na(3s²S)→SiO(X¹∑⁺)+Na(4d²D)       (2)

Na(4d²D)→Na(3p²P)+hγ(569nm)                (3)

Na(4d²D)+hv(569nm)→Na(3p²P)+2hv(569nm)      (4)

反应(1)产生了亚稳态的SiO(a³∑⁺，b³∏)，该反应的量子效率很高且b³∏占绝对多数。SiO(b³∏)与Na原子的基态3s²S发生近共振传能将基态钠原子泵浦到4d²D能级(式2)。随后，Na(4d²D)发生自发辐射和受激辐射，发出569nm的激光(式3、4)。Na原子激光器的发光波长位于可见区域，目前在很多领域有着迫切的应用需求，因此Na原子激光器是目前激光器研究的一个热点。本发明对于Na原子激光器的实验研究甚至以后的商品化开发奠定了基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便快捷的合成SiO(b³∏)粒子的装置。通过该装置可以合成高浓度的亚稳态储能粒子SiO(b³∏)，并且可以实时测到该粒子的绝对浓度。该装置可以作为将来Na、Tl、Ga等原子激光器的能源部件。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：

一种亚稳态储能粒子-SiO(b³∏)的合成装置，包括SiH₄储气瓶、氦气储气瓶、N₂O储气瓶、载气储气瓶、高温热解炉、透镜和光谱仪，

高温热解炉为管式结构，其由外向内依次为整体的不锈钢密封外壳、石棉保温层和SiC管高温炉膛，在炉膛的中部轴向设置有热电偶，在炉膛的SiC管外壁上缠绕有高温电热丝；

SiH₄储气瓶和氦气储气瓶通过管路经气体混合器与高温热解炉的气体入口相连，在高温热解炉的气体出口外侧设置有N₂O及其载气的喷嘴，喷嘴通过管路经气体混合器与N₂O储气瓶和载气储气瓶相连，N₂O与高温热解炉气体出口的主气流相交反应，形成反应区，在反应区的外侧沿高温热解炉的径向设置有观测筒，观测筒内为测试区域，观测筒通过管路与真空系统连接，观测筒外端依次设置有透镜和光谱仪，观测筒、透镜和光谱仪光路连接；光谱仪通过线路与计算机信号连接。

所述热电偶和高温电热丝通过线路与一温度控制器电连接；在气体混合器与高温热解炉之间的管路及气体混合器与喷嘴之间的管路上分别设置有阀；在SiH₄储气瓶、氦气储气瓶、N₂O储气瓶及载气储气瓶的气体出口管路上分别设置有流量控制器；在高温热解炉的气体入口和气体出口处均设置有硅橡胶密封垫圈；在高温热解炉的气体出口外侧均匀设置有N₂O及其载气的喷嘴。

本发明的有益效果是：

1、通过本发明可以很方便地建立一个合成亚稳态储能粒子SiO(b³∏)的装置，为Na、Tl、Ga等金属原子激光研究提供能源。也有可能为将要实现的商品化的Na、Tl、Ga等金属原子激光器提供能源部件。

2、本发明可以同时检测SiO(b³∏)自发辐射光谱，并能给出粒子浓度。可以供SiO(b³∏)的相关研究提供研究介质和相关数据。

3.本发明不仅可以合成高浓度的SiO(b³∏)粒子，而且可以通过定标的测试系统，对粒子浓度进行定量测量。

4：试验结果表明，本装置操作简单，易于实现，性能稳定且易于放大，可以生成高浓度SiO(b³∏)粒子，这为将来的Na、Tl、Ga等原子激光器进一步发展提供了保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明测到的SiO(b³∏)自发辐射谱。

具体实施方式

本发明通过一种操作简单，容易实现的反应装置，合成高浓度的SiO(b³∏)粒子。通过该装置可以为将来的Na、Tl、Ga等原子激光器提供能源。

包括SiH₄热解炉，气体混合装置和测试系统组成。

SiH₄高温热解炉整体密封(密封材料为耐热硅橡胶)，采用常规电热丝加热；炉膛采用常见的SiC管；保温层采用石棉填充材料；结构为常规管式炉结构。炉体整体镶嵌在一个不锈钢外壳内，通过不锈钢外壳整体密封。炉子进口和出口均由硅橡胶垫圈密封。炉膛(SiC管)外面缠绕电热丝，电热丝从炉膛一段均匀缠至另一端，以保证整个炉膛内部温度均匀；SiH₄热解炉内胆从一端到另一端均被均匀加热，炉子的恒温区长度与炉膛长度基本相当。

气体混合装置由气体混合腔，流量控制器，计算机系统，和N₂O喷嘴组成。

N₂O及其载气的进气口紧贴炉膛出口，而且采用圆周喷射的方式与主气流混合。SiH₄及其载气从炉膛入口直接进入，反应气体和载气在一个混合器内预混。各气体的流量分别由质量流量计控制。质量流量计与计算机控制系统连接，由计算机软件实现数据采集和信号触发。

测量装置由透镜收集系统和光谱仪组成。通过由计量院标定的氘灯可以对该测量装置进行标定。标定后的测量系统可以对发光粒子进行绝对浓度测量。通过测量数据可以调节和优化实验条件，以满足实际需求。

如图1所示，具体结构如下：

一种亚稳态储能粒子-SiO(b³∏)的合成装置，包括SiH₄储气瓶1、氦气储气瓶2、N₂O储气瓶18、载气储气瓶19(氦气)、高温热解炉11、透镜13和光谱仪12。

高温热解炉11为管式结构，其由外向内依次为整体的不锈钢密封外壳、石棉保温层10和SiC管高温炉膛9，在炉膛9的中部轴向设置有热电偶6，在炉膛9的SiC管外壁上缠绕有高温电热丝；

SiH₄储气瓶1和氦气储气瓶2通过管路经气体混合器4与高温热解炉11的气体入口相连，在高温热解炉11的气体出口外侧均匀设置有N₂O及其载气的喷嘴14，喷嘴14通过管路经气体混合器4与N₂O储气瓶18和载气储气瓶19相连，N₂O与高温热解炉11气体出口的主气流相交反应，形成反应区，在反应区的外侧沿高温热解炉11的径向设置有观测筒15，观测筒15内为测试区域17，观测筒15通过管路与真空系统16连接，观测筒15外端依次设置有透镜13和光谱仪12，观测筒15、透镜13和光谱仪12光路连接；光谱仪12通过线路与计算机8信号连接；

热电偶6和高温电热丝通过线路与一温度控制器7电连接；在气体混合器4与高温热解炉11之间的管路及气体混合器4与喷嘴14之间的管路上分别设置有阀5；在SiH₄储气瓶1、氦气储气瓶2、N₂O储气瓶18及载气储气瓶19的气体出口管路上分别设置有流量控制器3；在高温热解炉11的气体入口和气体出口处均设置有硅橡胶密封垫圈。

利用本发明的合成实验装置，对SiO(b³∏)的发射光谱以及SiO(b³∏)与Na原子近共振传能进行了研究。实践表明本发明的装置很好地提供了研究所需要的亚稳态储能粒子-SiO(b³∏)。结果如图2所示，其为本发明测到的SiO(b³∏)自发辐射谱。

具体操作步骤如下：

1：系统安装。包括管路连接、密封；测试系统安装调试。

2：实验前状态检查。包括真空试漏和各测试设备检查。

3：开启真空泵、流量计电源。

4：开启热解炉电源，开始加热。

5：开启计算机采集控制系统，设置流量计参数。

6：系统抽真空。

7：待热解炉加热到900℃以后，进行如下操作：

①：开气瓶阀；

②：开减压阀。

③：开流量计开关；

8：待电炉加热到1000℃以后，进行如下操作：

①：开启SiH₄流量控制器，开始进SiH₄.

②：开启N₂O流量控制器，开始进N₂O.

10：开始测试。此时系统开始合成SiO(b³∏).

11：实验结束后，按下列顺序关闭系统：

①：关闭各气瓶阀；

②：关闭各气瓶减压阀。

③：关闭电炉电源。

⑤：清洗流量控制器。

⑥：关闭流量控制器。

⑦：关闭真空系统。

⑧：关闭测试系统和计算机系统。

12：最后安全检查，实验结束。

Claims (6)

1.一种亚稳态储能粒子-SiO(b³∏)的合成装置，包括SiH₄储气瓶(1)、氦气储气瓶(2)、N₂O储气瓶(18)、载气储气瓶(19)、高温热解炉(11)、透镜(13)和光谱仪(12)，其特征在于：

高温热解炉(11)为管式结构，其由外向内依次为整体的不锈钢密封外壳、石棉保温层(10)和SiC管高温炉膛(9)，在炉膛(9)的中部轴向设置有热电偶(6)，在炉膛(9)的SiC管外壁上缠绕有高温电热丝；

SiH4储气瓶(1)和氦气储气瓶(2)通过管路经气体混合器(4)与高温热解炉(11)的气体入口相连，在高温热解炉(11)的气体出口外侧设置有N₂O及其载气的喷嘴(14)，喷嘴(14)通过管路经气体混合器(4)与N₂O储气瓶(18)和载气储气瓶(19)相连，N₂O与高温热解炉(11)气体出口的主气流相交反应，形成反应区，在反应区的外侧沿高温热解炉(11)的径向设置有观测筒(15)，观测筒(15)内为测试区域(17)，观测筒(15)通过管路与真空系统(16)连接，观测筒(15)外端依次设置有透镜(13)和光谱仪(12)，观测筒(15)、透镜(13)和光谱仪(12)光路连接；光谱仪(12)通过线路与计算机(8)信号连接。

2.按照权利要求1所述合成装置，其特征在于：所述热电偶(6)和高温电热丝通过线路与一温度控制器(7)电连接。

3.按照权利要求1所述合成装置，其特征在于：在气体混合器(4)与高温热解炉(11)之间的管路及气体混合器(4)与喷嘴(14)之间的管路上分别设置有阀(5)。

4.按照权利要求1所述合成装置，其特征在于：在SiH₄储气瓶(1)、氦气储气瓶(2)、N₂O储气瓶(18)及载气储气瓶(19)的气体出口管路上分别设置有流量控制器(3)。

5.按照权利要求1所述合成装置，其特征在于：在高温热解炉(11)的气体入口和气体出口处均设置有硅橡胶密封垫圈。

6.按照权利要求1所述合成装置，其特征在于：在高温热解炉(11)的气体出口外侧均匀设置有N₂O及其载气的喷嘴(14)。

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