CN101858454B - 流动气体气压自动调节装置 - Google Patents
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Abstract
一种流动气体气压自动调节装置，包括真空计和阀体，特点是：所述的阀体是一个微调阀体，该微调阀体的进气端有进气接头和微调进气阀，输气端有真空探测头，在所述的微调进气阀和真空探测头之间还有压电陶瓷阀，所述的真空探测头的信号输出端经第一电线接所述的真空计的输入端，该真空计的输出端经数据线、数/模转换器、第二电线接压电控制器的输入端，该压电控制器的输出端经第三电线和微调阀体上的密封导电板接所述的压电陶瓷阀的控制端，所述的微调阀体的输气端有螺纹接口，以便与待输入流动气体的容器密封连接。本发明装置结构简单，操作方便，在气压低于100托并需要精确控制其稳定的实验条件下具有很大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及流动气压自动调节装置，特别是一种低气压(100Torr以下)流动气体气压自动调节装置。
背景技术
高次谐波技术是合成单个阿秒(10-18秒)量级超短脉冲和产生水窗波段X射线的主要实验方法，由于单个阿秒量级超短脉冲可用来研究原子或分子内电子的运动，而水窗波段X射线在生物学成像方面有着极其重要的作用，故高次谐波技术的研究在当今世界是非常热门。
当前高次谐波技术的发展主要是研究激光与气体的相互作用，主要通过改变飞秒激光场，气体种类，气体压强，气体盒子长度，飞秒激光的束腰与气体盒子的相对位置等因素来获取我们想要的高次谐波。在实验过程中，气体压强之外的其他因素都是比较容易调节的，但由于实验所要求的气压比较低，一般只在几十托(Torr)到100托之间，实验气体是流动的并且参与激光相互作用的，所以气压的相对变化非常大，很难控制在固定的值。当前，气压一般利用微调气阀手动调节，在高次谐波采集过程中，当气压偏离实验需要值时，就需要实时调节微调气阀使气压保持在实验需要值。高次谐波信号采集时间一般为几秒～几十秒，如果信号比较强，所需要的采集时间比较短，利用手动调节微调气阀的方法还可行，但现在的实验中往往信号很弱，所需要的采集时间长达几分钟，这种情况下手动调节微调气阀的方法就有很大的弊端，首先微调气阀的精度不高，旋转极小角度就会造成气压有很大的变动，很难调节准确；其次，操作人员长时间精神高度集中对气压进行实时调节，时间越长，调节效果会越差；操作人员在靶室旁边调节气压，长期受X射线波段高次谐波辐射对实验者身体有伤害。总之，气压的变化会影响气体与激光的相互作用过程，从而得不到我们想要的高次谐波。
当前利用手动调节微调气阀方法调节气压，通常会使实验得到的高次谐波谱(如图1所示，横坐标为光子能量，单位为电子伏，纵坐标为谐波强度，单位为原子单位)与相同参数下理论模拟得到的高次谐波谱(如图2所示，横坐标纵坐标的选取同图1)不一样，因为理论模拟时，气压值是固定的，而实验过程中不能实现。图1和图2都取自文献：E.Priori，G.Cerullo，M.Nisoli，S.Stagira，and S.De Silvestri.Nonadiabatic three-dimensional model of high-order harmonicgeneration in the few-optical-cycle regime，PHYSICAL REVIEW A，61，063801。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种流动气体气压自动调节装置，该装置应具有结构简单，操作和控制方便，手动初步微调后，以电动代替手动，通过反馈进行实时自动控制，且气压实时探测装置和控制装置均在靶室外面，不会对气体盒子内光和气体相互作用的过程产生影响。特别是适用于高次谐波产生装置中靶室内供气体与飞秒激光相互作用的气体盒内的低气压流动气体气压自动调节装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种流动气体气压自动调节装置，包括真空计和阀体，特点是：所述的阀体是一个微调阀体，该微调阀体的进气端有进气接头和微调进气阀，输气端有真空探测头，在所述的微调进气阀和真空探测头之间还有压电陶瓷阀，所述的真空探测头的信号输出端经第一电线接所述的真空计的输入端，该真空计的输出端经数据线、数/模转换器、第二电线接压电控制器的输入端，该压电控制器的输出端经第三电线和微调阀体上的密封导电板接所述的压电陶瓷阀的控制端，所述的微调阀体的输气端有螺纹接口，以便与待输入流动气体的容器密封连接。
所述的微调阀体的输气端有螺纹接口还连接有输气管，以将所需的气体输入到指定的空间。
所述的微调阀体由微调进气部分、压电陶瓷阀部分、气压探测部分组成，微调进气部分与压电陶瓷阀部分利用O型圈和卡箍密封接合，所述的压电陶瓷阀部分和气压探测部分利用螺纹接口紧密接合，该气压探测部分的另一输气端与靶室的靶室盖利用螺纹接口紧密接合，同时进气管也与靶室盖利用螺纹接口紧密接合，以将所需的气体输入到指定的空间。
在压电控制器设定真空设定值，利用真空探测头探测指定空间的流动气体的气压并由真空计显示测量值，随着真空计的读数变化，该测量值经过数/模转换器，反馈至压电控制器，压电控制器将测量值与设定值进行比较，实时对压电陶瓷阀给出控制电信号，使压电陶瓷阀发生相应的形变，改变两块压电陶瓷阀之间缝隙宽度，即进气口的大小，使真空计的读数恢复到实验需要的设定数值，从而维持了气体盒子内实验条件所需要的气压值。
本发明的技术效果：
1、由于本发明采用电动控制，响应时间快，最快可达到皮秒(10-12s)量级，相比于人眼的反应时间0.1s量级，远远提高了实时精度，从而使气压更稳定。
2、由于本发明采用压电陶瓷阀，压电陶瓷的动态伸缩系数为0.24微米/伏特，只要电压调节的精度控制在1伏特，那么压电陶瓷阀精度可达到0.24纳米，也远高于手动调节微调气阀的精度。
3、由于本发明采用气压实时探测装置和控制装置均在靶室外，并且无需对原来的装置进行较大改造，方便用户使用。
4、由于采用电动控制，操作人员只要在实验开始之前调节微调阀，使气压达到设定值附近，接下来使用电动控制，操作人员可以远离靶室，远离X射线波段的高次谐波辐射对人体的伤害。
附图说明
图1是现有利用手动调节微调气阀方法调节气压，实验得到的高次谐波谱图
图2是理论模拟的高次谐波谱图
图3为本发明流动气体气压自动调节装置实施例用于高次谐波产生装置中靶室内供气体与飞秒激光相互作用的气体盒子内流动气体气压自动调节的总体框图
图4为本发明流动气体气压调节装置的微调阀体的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。
先请参阅图3、图4，图3是本发明流动气体气压自动调节装置实施例用于高次谐波产生装置中靶室内供气体与飞秒激光相互作用的气体盒子内流动气体气压自动调节的总体框图，图4为本发明低气压流动气体气压调节阀实施例结构示意图。由图可见，本发明流动气体气压自动调节装置，包括真空计6和阀体，所述的阀体是一个微调阀体13，该微调阀体13的进气端有进气接头11和微调进气阀9，输气端有真空探测头5，在所述的微调进气阀9和真空探测头5之间还有压电陶瓷阀3，所述的真空探测头5的信号输出端经第一电线12接所述的真空计6的输入端，该真空计6的输出端经数据线15、数/模转换器7、第二电线16接压电控制器4的输入端，该压电控制器4的输出端经第三电线17经微调阀体13上的密封导电板14接所述的压电陶瓷阀3的控制端，所述的微调阀体13的输气端有螺纹接口，以便与待输入流动气体的容器密封连接。在本实施例的应用中，所述的微调阀体13由微调进气部分1301、压电陶瓷阀部分1302和气压探测部分1303组成，微调进气部分1301与压电陶瓷阀部分1302利用O型圈和卡箍密封接合，压电陶瓷阀部分1302和气压探测部分1303利用螺纹接口紧密接合，气压探测部分1303的另一端与靶室1的靶室盖利用螺纹接口紧密接合，进气管10与靶室盖利用螺纹接口紧密接合，进气管10与气体盒子2利用螺纹接口紧密接合，形成一条密封的气流通道。
高次谐波产生装置中真空靶室1内供气体与飞秒激光8相互作用的气体盒子2内的气体压强为百托量级，(1Torr＝133.3224pa)，实验所需气体经进气接头11进入微调阀体13、依次经微调进气阀9、压电陶瓷阀3、真空探测头5、输气管10进入气体盒子2，气体在气体盒子2中是流动的，气体盒2两端的出气小孔18和靶室1的抽气口19构成气流流出通道。
本发明的工作流程如下：
首先根据工作需要在压电控制器4输入一个气体盒子2内的真空设定值，启动本发明流动气体气压自动调节装置，手动所述的微调进气阀9，使真空探测头5探测气体盒子2内的流动气压基本达到所需要的真空度，然后进入自动调节：利用真空探测头5探测气体盒2内的流动气压，经第一电线送真空计6，真空计6的测量值经过数/模转换器7，反馈至压电控制器4，压电控制器4将测量值与设定值进行比较，实时地对压电陶瓷阀3给出控制电信号，使压电陶瓷阀3发生相应的形变，改变两块压电陶瓷阀3之间缝隙宽度，即进气口的大小，使真空计6的读数恢复到实验需要的设定值，从而维持了气体盒子内实验条件所需要的气压值。
下面为此实施例的具体参数：
真空计的量程为为999.99Torr，精度为0.01Torr，在高次谐波的产生装置中，需要的真空计读数范围为0-100Torr，十进制数100转换成二进制数为110010.000000，共12位，因而本装置中需选用12位或12位以上输入端的数字/模拟转换器，例如：德州仪器的型号为DAC5670的14位数模转换器。
压电陶瓷控制器4的输出电压在-100V-+100V范围内，精度为0.1伏特，压电陶瓷阀的动态伸缩系数为0.24微米/伏特，压电陶瓷阀3伸缩精度可达到0.24微米/伏特x0.1伏特＝0.024微米。压电陶瓷阀初始设定两个半圆间隙为0.1毫米，间隙变化范围0.1毫米0.1mm±0.024mm。
压电陶瓷的具体尺寸为：半圆直径d＝2厘米，厚度h＝5毫米，两个半圆间隙g＝0.1毫米，固定在进气通道中的微调阀下方，分别将气体通道内压电陶瓷的引出线和气体通道外的压电控制器引出线焊接在密封导电板内外，从而将压电陶瓷和压电控制器连接，解决了气体通道外电路连接问题。
实验表明，本发明装置结构简单，手动粗调后，以电动代替手动，特别是适用于高次谐波产生装置中靶室内供气体与飞秒激光相互作用的气体盒内的低气压流动气体气压自动调节，气压实时探测装置和控制装置均在靶室外面，不会对气体盒子内光和气体相互作用的过程产生影响，便于操作和控制，在流动气体气压低于100Torr并需要精确控制稳定的气压条件下具有很大的实用价值。
Claims (3)
1.一种流动气体气压自动调节装置，包括真空计(6)和阀体，特征在于：所述的阀体是一个微调阀体(13)，该微调阀体(13)的进气端有进气接头(11)和微调进气阀(9)，输气端有真空探测头(5)，在所述的微调进气阀(9)和真空探测头(5)之间还有压电陶瓷阀(3)，所述的真空探测头(5)的信号输出端经第一电线(12)接真空计(6)的输入端，该真空计(6)的输出端经数据线(15)、数/模转换器(7)、第二电线(16)接压电控制器(4)的输入端，该压电控制器(4)的输出端经第三电线(17)经微调阀体(13)上的密封导电板(14)接所述的压电陶瓷阀(3)的控制端，所述的微调阀体(13)的输气端有螺纹接口，以便与待输入流动气体的容器密封连接。
2.根据权利要求1所述的流动气体气压自动调节装置，其特征在于：所述的微调阀体(13)的输气端有螺纹接口还连接有输气管(10)，以将所需的气体输入到指定的空间。
3.根据权利要求1或2所述的流动气体气压自动调节装置，其特征在于：所述的微调阀体(13)由微调进气部分(1301)、压电陶瓷阀部分(1302)、气压探测部分(1303)组成，微调进气部分(1301)与压电陶瓷阀部分(1302)利用O型圈和卡箍密封接合，所述的压电陶瓷阀部分(1302)和气压探测部分(1303)利用螺纹接口紧密接合，该气压探测部分(1303)另一输气端与靶室(1)的靶室盖利用螺纹接口紧密接合，同时进气管(10)也与靶室盖利用螺纹接口紧密接合，以将所需的气体输入到指定的空间。
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