CN104159390B - 高精度可控喷嘴气池 - Google Patents

Abstract

一种高精度可控喷嘴气池，构成包括：超音速气阀、调整平台，扁长椭圆喷口、前挡板、后挡板、前刀片、后刀片、缓存高压气瓶和喷嘴气阀控制器，本发明能有效提供一种边缘密度梯度陡峭变化而中间稳流的气体通道。具有操作简单、方便高效、高精度调节、气体密度分布稳定、可控的优点。本发明可用于激光等离子体相互作用领域，特别是激光等离子尾波场加速电子机制中，可提供稳定、可调的气体介质通道，可有效解决传统毛细管、气池等产生气体通道时的不稳定、操作复杂、精度不够、高电压等缺点。

Description

高精度可控喷嘴气池

技术领域

本发明涉及超短超强激光等离子体相互作用和强场物理领域内所需的气体通道介质产生，特别是一种高精度可控喷嘴气池，用于产生两端密度陡峭变化而中间稳流气体通道。本发明采用双刀片结构切割喷射气流以及扁长椭圆喷嘴口，结合高精度六维移动平台、两端小孔准直和同步控制，实现多种气体混合或单一气体的密度可控的气体通道产生，具有操作简单、精度高、可控、稳定性好的优点。

背景技术

随着激光尾波场加速产生高能电子束及激光技术发展衍生的激光等离子体相互作用领域的快速发展，气体通道介质作为相互作用的核心区域，需要新型的喷嘴气池，使其在密度分布和长度可调、流体喷射稳定，空间位置上实现高精度调节。

激光尾波场加速电子的方案有电离注入、碰撞注入、自导引、梯度注入等,以往所采用的气体通道，如放电毛细管、封闭的充气波导、全开放式气池等，需在给定的特殊气体密度下导引激光产生自聚焦，产生电子束(具体参见M.S.Kim，et al.IEEE Tran.Plasma.Sci 2011.39.8:1638-1643和W.P.Leemans et al.NaturePhys.2006.418(2):696-699)。但其毛细管内的气压一般在150torr左右，而它所放置的真空环境要求达到10^-5torr，需备有复杂的检监测系统；放电时所需的电压高达25kV，放电过程容易击穿损坏毛细管，操作复杂且有风险；需要经常更换，不能重复使用。全开放式气池产生气体通道易有不稳定性，形成多丝造成激光的扰动和强度衰减。特别在气体通道边沿的密度分布会有明显抖动，在级联梯度注入时难以匹配注入级与加速级电子束的相位。2008年C.G.R Geddes等人利用梯度注入方案获得低能散的电子束，(参考C.G.R.Geddes et al.PRL.2008，100.215004)。2010年，K.Schmid首次提出产生稳定、重复使用的新型注入机制，利用在超音速喷嘴气池中插入单一不可调的刀片获得下降沿陡峭的梯度变化，实现梯度注入下的更优电子束产生(参见K.Schmid,et al.Phys.Rev.STAB.2010,13.091301)。

以往的方案在一定程度上提供所需的气体通道，但都只能提供单级的密度梯度变化，边缘有一定的抖动性和中间密度分布具有不稳定性和扰动，并不能满足级联时连续的密度变化转换；调节精度误差较大，难以实现精确控制；实验室要获得不同长度气体通道的产生，需要更换和固定，要重新定标；而且采用长方形或简单圆形喷嘴，在边缘上不能解决抖动性。在激光等离子相互作用时，要求气体通道的梯度变化达到Δn～10¹⁹cm^-3，气体通道在cm内保持较好的稳定性等，因此需要一种高精度可控的喷嘴气池。目前大部分的喷嘴气池的结构较简单，产生的气体通道长度固定等，有一定的缺陷。

发明内容

为解决传统产生气体通道时的缺陷，本发明提供一种高精度可控喷嘴气池，该高精度可控喷嘴气池能有效提供一种边缘密度梯度陡峭变化而中间稳流的气体通道。在激光等离子体相互作用产生相对论电子束所采用的梯度注入、自注入等方案中，可精确调节喷嘴气池的空间位置；激光信号与定标信号的同步控制，实现精确开启，并可级联使用，产生单一或多种气体混合的不同密度分布的气体通道。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种高精度可控喷嘴气池，特点在于其构成包括：一超音速气阀固定在具有前后左右高低移动和360度旋转的调整平台上，所述的超音速气阀的上端的外螺纹与一扁长椭圆喷口的内螺纹链接，所述的扁长椭圆喷口的周边具有两个螺孔，供两个平头的内六角螺丝旋入固定；在所述的扁长椭圆喷口的两边分别设有竖直向上的前挡板和后挡板；在所述的前挡板上固定一前刀片，在所述的后挡板上固定一后刀片，所述的前刀片和后刀片的刀口与所述的扁长椭圆喷口的水平方向成一定的角度；在所述的前挡板和后挡板的正上方分别设有同一水平线上的前小孔和后小孔；所述的超音速气阀的一侧通过管道与缓存高压气瓶相连，所述的超音速气阀的控制端与喷嘴气阀控制器相连；所述的喷嘴气阀控制器根据所述的超短超强激光束发射时的激光产生信号a控制所述的超音速气阀的开启，保障喷气与激光束通过喷嘴的时间同步，当超短超强激光束与经所述的扁长椭圆喷口喷射和前刀片、后刀片切割所产生的气体通道相互作用时，所述的超短超强激光束依次经过前小孔和后小孔。

所述的前刀片和后刀片延伸喷嘴口上方水平方向的长度可调节，以改变气体通道的长度。

所述的扁长椭圆喷口的结构为底部端口圆形渐变为顶端扁长椭圆形，以提高喷气的稳定性。

所述的前小孔和后小孔的直径为1mm。

所述的缓存高压气瓶的作用是让单一气体或多种气体进行均匀混合，控制内部的压强获得不同密度、单一或一定百分比混合的气体。

所述的六维移动调整平台细调精度达到0.1um，粗调精度达到10um，其作用是电控调节喷嘴气池的空间位置和合适的角度以便激光精确通过气体通道。

本发明有如下几个特点和效果：

1、有效克服了以往喷嘴气池的不稳定、使用寿命短、功能特性单一等缺点，具有操作简单、方便高效、高精度调节、气体密度分布稳定、可控的优点。

2、采用双刀片在小角度切割气体，在um量级长度内实现气体密度Δn～10¹⁸cm^-3量级的梯度变换，刀片固定位置的不同，还可调节气体通道的长度。

3、扁长喷嘴口的特殊结构设计，喷射气体时具有良好的稳定性和重复性。

4、直接在挡板两端挖直径为1mm的小孔，就能实现激光高度和平行方向的准直，大大节约了成本，简化操作。

5、具有高精度的空间位置调整能力，并实现同步控制，能精确开启气阀，大大提高喷嘴气池的工作效率。

附图说明

图1为本发明高精度可控喷嘴气池的结构示意图。

图2为喷嘴气池喷嘴口处前后刀片切割气体的示意图。

图3为喷嘴气池本体上端不同高度下的压强与马赫数的关系曲线。

图4为喷嘴气池本体边沿处马赫数与n₀/n₁密度比值的关系曲线。

图5为利用本发明产生的同一高度气体通道密度分布图。

图6为利用本发明产生级联气体通道的实际CCD成像。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明高精度可控喷嘴气池的结构示意图。由图可见，本发明高精度可控喷嘴气池的结构在于：一超音速气阀11固定在具有前后左右高低和360度旋转的移动调整平台14上，所述的超音速气阀11的上端的外螺纹与一扁长椭圆喷口8的内螺纹链接，所述的扁长椭圆喷口8的周边具有两个螺孔，供两个平头的内六角螺丝9、10旋入固定；在所述的扁长椭圆喷口8的两边分别设有竖直向上的前挡板4和后挡板5；在所述的前挡板4上固定一前刀片6，在所述的后挡板5上固定一后刀片7，所述的前刀片6和后刀片7的刀口与所述的扁长椭圆喷口8的水平方向成一定的角度；在所述的前挡板4和后挡板5的正上方分别设有同一水平线上前小孔2和后小孔3；所述的超音速气阀11的一侧通过管道与缓存高压气瓶12相连，所述的超音速气阀11的控制端与喷嘴气阀控制器13相连；所述的喷嘴气阀控制器13根据所述的超短超强激光束1发射时的激光产生信号a控制所述的超音速气阀11的开启，保障喷气与激光束1通过喷嘴的时间同步，当超短超强激光束1与经所述的扁长椭圆喷口8喷射和前刀片6、后刀片7切割所产生的气体通道相互作用时，所述的超短超强激光束1依次经过前小孔2和后小孔3。

超音速气阀11的上端出口处为外螺纹转接口，扁长椭圆喷口8为内螺纹管，两者中间并加入橡皮圈提高真空度；超音速气阀11的一侧通过管道与缓存缓存高压气瓶12相连，另一侧与喷嘴气阀控制器13相连；并将整个喷嘴气池本体固定于所述的移动调整平台14上，先粗调再细调的原则调节喷嘴气池的合适空间位置，并旋转喷嘴气池到适合的角度。图2给出位于扁长椭圆喷口8的两侧上方的前后刀片切割气体示意图，在d、f处的气体密度分布出现明显的变化。

本发明具有下列特点以及具体技术解决方案：

1、前刀片6和后刀片7处于激光所在的高度和椭圆喷射口所在高度之间，所述的扁长椭圆喷口8的周边具有两个螺孔，供两个平头的内六角螺丝9、10旋入固定。前后刀片的刀口的方向与超短超强激光束1成一定的小角度，可利用镊子等工具进行调节。在前后挡板上分别挖1mm直径的前小孔2和后小孔3，利用两小孔的准直，给出激光高度和水平方向上的基准；所述的超音速气阀11的上端的外螺纹与一扁长椭圆喷口8的内螺纹链接，扁长椭圆喷口8的底部为圆形并渐变成端口扁长椭圆形；所述的超音速气阀11的一侧通过管道与缓存缓存高压气瓶12相连，另一侧与喷嘴气阀控制器13相连；喷射前，可打开不同气体气瓶通入中间缓存缓存高压气瓶12中，缓存一定百分比混合的气体，使其达到均匀分布，调节合适的压强；中间缓存缓存高压气瓶12的容积为2L；喷嘴气阀压强为2～10×10⁵Pa，为超音速喷嘴。

2、将喷嘴气池本体固定于所述的调整平台14上，该调整平台由高精密的粗(细)前后平移台、粗(细)左右平移台、高低平移架和360度可旋转的底座依此搭建构成，可前后、左右、高低调节空间位置及360度的旋转调节；细调精度达到0.1um，粗调精度达到10um；

3、喷嘴气池本体水平方向的准直，要让激光束通过前小孔2、后小孔3，才能保证激光平行于喷口。实验时，先利用迈克尔干涉光路对气体通道成像，利用CCD记录气体通道整体的密度分布图样，结合实际需求，调节所述的移动调整平台14其具有合适位置；

4、为提高喷嘴气池的效率，气阀开启需要跟激光通过时达到同步，需要激光产生信号和定标信号的同步。两者可通过脉冲延时发生器c实现同步，并给出触发信号到喷嘴气阀控制器13中，并设定合适的喷嘴喷射频率和开启的时间。

实验时，先用弱的参考激光通过气体通道，开启超音速气阀初步产生气体通道，利用干涉光路对其成像，调节所述的移动调整平台使喷嘴气池本体处于最优的空间位置，并根据实验条件设定合适的喷嘴喷射频率和开启持续时间。

输入激光产生信号a和定标信号b到脉冲延迟器c，使两者达到同步并输出触发信号，那么在激光通过气体通道时，在同步触发信号作用下就能通过喷嘴气阀控制器13进行精确开启和断开。最后确保调试都到位后，增大激光功率并开启超音速气阀，让超短超强激光与产生的气体通道相互作用。

本发明所依据的原理是流体的压缩性和刀片切割流体引起喷嘴气池喷射的流体在流场中相对密度的变化。喷嘴气池在不同压力下的马赫数变换(流体的流动速度υ和声音在流体内传播的速度υ_声之比成为马赫数)，会引起的气体密度分布变化，当气体从喷嘴中以流速υ向上流动时，压力以声速向上传播的速度为υ+υ_声，从而马赫数超过1，形成超音速喷射气体，如图2所示。

如图3所示，所喷射的气体离扁长椭圆喷嘴口8的距离增大，压强减小，对应的马赫数和气体密度都会变化。喷嘴气池上端的不同高度下的压强与马赫数的关系为：

$\frac{P}{P_0}={(1+\frac{\mathrm{\κ}-1}{2}{M}^2)}^{-\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ}-1}}---\left(1\right)$

式中，κ为气体的绝热比热容，如单原子He为1.67，分子O₂、N₂为1.40，根据不同的气体及混合程度不同，有不同的值；P为在小孔平行高度的气体压强，P₀为喷嘴气阀11开启时的压强。气阀开启时，中间缓存气瓶12的压强为2～10个标准大气压，调节不同压强P₀，气体的密度与压强成正比，不同气体在喷嘴气池的流动情况，相对密度与马赫数表达式为：

$\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}={(1+\frac{\mathrm{\κ}-1}{2}{M}^2)}^{-\frac{1}{\mathrm{\κ}-1}}---\left(2\right)$

该式表明，采用扁长的椭圆喷口，在同一高度上的压强P基本能保持不变，从而密度分布基本保持不变，因此调节不同的缓存气瓶内部压强P₀，可得到中间不同密度的稳定气体通道。

当气体两端边缘处被前刀片6和后刀片7切割时，气体流速发生骤变，压力梯度也增加，从而在um量级尺度上能够引起气体密度的变化。双刀片与激光传播方向有小夹角，在超音速气流下，密度突变的长度约为分子平均自由程的几倍，达到um量级，利用Euler方程可计算气体通道的密度比值与马赫数和激波角度相关的关系为：

$\frac{n_0}{n_1}=1-\frac{2}{\mathrm{\κ}+1}(1-\frac{1}{{\left(M\sin \mathrm{\α}\right)}^2})---\left(3\right)$

式中，n₀、n₁分别为中间气体密度和边缘气体密度，M为气流的马赫数，α为气流与刀片的夹角。以He为例，当喷射口压强P₀为4个标准大气压时，激光水平高度所处位置压强P的变化引起的马赫数变化曲线如图4所示。气体通道边缘在很短的距离内引起压强和马赫数的剧烈变化，相应的在边缘处的密度梯度变化陡峭。

图5为利用本发明产生气体通道的同一高度上的密度分布，横轴为CCD的像素点分布，每像素点为0.67um，总长度约为3mm，纵轴为密度分布值，单位为cm^-3。实际CCD成像时，需要定标，通过像素点的多少确定长度的。在气体通道上升沿处，左边上升沿共有11个像素点，在7um内气体密度变化为2.1×10¹⁹cm^-3，等效的密度梯度变化值为3.0×10¹⁸cm^-3/um；气体通道的下降沿处，在4um内气体密度变化为2.24×10¹⁹cm^-3，密度梯度变化为5.6×10¹⁸cm^-3/um；气体通道的中间密度分布基本维持不变。

图6为利用本发明产生级联气体通道的CCD成像图，图中由三部分构成，左边第一部分为第一级气体通道下的干涉图像，有较明显的气体通道分布，由于一定角度下，气体通道中心也有一定的倾斜；中间为后沿的挡板，最亮的位置为小孔位置，由于准直过程有一定偏差，激光不能完全通过小孔而被散射，因此后面的气体通道干涉图像信号减小。需要进一步调节喷嘴气池的空间位置和水平方向高度，即可获得所需的气体通道。

实验表明，本发明高精度可控喷嘴气池能有效提供一种边缘密度梯度陡峭变化而中间稳流的气体通道，调节超音速气阀开启时的压强、刀片的位置和角度可获得单一或多种气体混合的不同密度分布的气体通道。具有操作简单、精度高、可控、稳定性好的优点。本发明可用于激光等离子体相互作用领域，特别是激光等离子尾波场加速电子机制中，可提供稳定、可调的气体介质通道，可有效解决传统毛细管、气池等产生气体通道时的不稳定、操作复杂、精度不够、高电压等缺点。

Claims (5)

1.一种高精度可控喷嘴气池，特征在于其构成包括：一超音速气阀(11)固定在具有前后左右高低移动和360度旋转的调整平台(14)上，所述的超音速气阀(11)的上端的外螺纹与一扁长椭圆喷口(8)的内螺纹链接，所述的扁长椭圆喷口(8)的周边具有两个螺孔，供两个平头的内六角螺丝(9、10)旋入固定；在所述的扁长椭圆喷口(8)的两边分别设有竖直向上的前挡板(4)和后挡板(5)；在所述的前挡板(4)上固定一前刀片(6)，在所述的后挡板(5)上固定一后刀片(7)，所述的前刀片(6)和后刀片(7)的刀口与所述的扁长椭圆喷口(8)的水平方向成一定的角度；在所述的前挡板(4)和后挡板(5)的正上方分别设有同一水平线上的前小孔(2)和后小孔(3)；所述的超音速气阀(11)的一侧通过管道与缓存高压气瓶(12)相连；所述的超音速气阀(11)的控制端与喷嘴气阀控制器(13)相连；所述的喷嘴气阀控制器(13)根据超短超强激光束(1)发射时的激光产生信号a控制所述的超音速气阀(11)的开启，保障喷气与激光束(1)通过喷嘴的时间同步，当超短超强激光束(1)与经所述的扁长椭圆喷口(8)喷射和前刀片(6)、后刀片(7)切割所产生的气体通道相互作用时，所述的超短超强激光束(1)依次经过前小孔(2)和后小孔(3)；所述的前刀片(6)和后刀片(7)延伸喷嘴口上方水平方向的长度可调节，以改变气体通道的长度。

2.根据权利要求1所述的高精度可控喷嘴气池，其特征在于所述的扁长椭圆喷口(8)的结构为底部端口圆形渐变为顶端扁长椭圆形，以提高喷气的稳定性。

3.根据权利要求1所述的高精度可控喷嘴气池，其特征在于所述的前小孔(2)和后小孔(3)的直径为1mm。

4.根据权利要求1所述的高精度可控喷嘴气池，其特征在于所述的缓存高压气瓶(12)的作用是让单一气体或多种气体进行均匀混合，控制内部的压强获得不同密度、单一或一定百分比混合的气体。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高精度可控喷嘴气池，其特征在于所述的调整平台(14)细调精度达到0.1um，粗调精度达到10um，其作用是电控调节喷嘴气池的空间位置和合适的角度以便激光精确通过气体通道。