CN107552258B - 气体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种气体喷射装置，具有：气体通路，其包括位于上方的进气口和位于下方的出气口；光通路，其包括入射光通路和反射光通路，分别位于所述气体通路的两侧，气体经过气体通路到达待测样品表面，经由光通路及气体通路的出气口与待测样品表面间的狭缝流出，气体的流动方式为层流，并且气流的佩克莱数大于1。该气体喷射装置能够有效防止环境气体返混至测量系统。

Description

气体喷射装置
技术领域
本发明涉及样品分析领域，具体地说，涉及一种气体喷射装置。
背景技术
多孔薄膜在微电子学(低介电常数膜)、细胞膜、催化膜、传感器等诸多领域中具有较为广阔的应用。其中，多孔薄膜作为低介电常数电介质被广泛的应用于超大规模集成电路器件。利用椭圆偏光法可对材料的孔隙度进行研究，并能够在溶剂蒸气环境中对多孔层的厚度和参数进行研究。多孔材料的折射率的变化是溶剂蒸气的相对压力变化的函数，这使得能够确定导入孔隙的溶剂体积，并能够建立一个等温曲线。由此能够测量多孔材料的孔隙度，从而研究其机械电学特性。在以下的专利文献1～4以及非专利文献中记载了利用椭圆偏光法(ellipsometry)对多孔低-k膜进行评价的方法。
专利文献1：US 6,435,008 B2
专利文献2：US 6,662,631
专利文献3：US 2006/0254374 A1
专利文献4：US 7,568,379 B2
非专利文献：Adsorption and Desorption Isotherms at Ambient TemperatureObtained by Ellipsometric Porosimetry to Probe Micropores in OrderedMesoporous Silica Films.Bourgeois A.,Brunet-Bruneau A.,Fisson S.,RivoriJ.Adsorption 11:195-199,2005
但是，以上所公开的这些系统的缺点在于使用专用腔室来进行样品测试，该腔室限制了样品的尺寸。另一个缺点涉及腔室体积，需要耗费很长时间来充满或改变腔室的气氛。此外，也需要消耗大量的溶剂蒸汽来充满腔室，使得测量的成本相对较高。
在本发明人提交的申请号为201510751567.7的发明专利申请中公开了一种可替代性的系统和方法，在这个新系统中不需要腔室而是基于喷射气流形成系统的应用。首先，吸附剂蒸汽与载气混合且每种成分的气体分压可控；其次，所形成的气流尺寸可控，与被测表面上的激光点的尺寸相近。这使得该系统所需的吸附剂量与基于腔室的系统相比能够显著下降。另外，在测试过程中，可以移动样品，因此没有样品尺寸方面的限制。
但是，在该样品分析系统中用于形成喷射气流的气体喷射装置非常关键，尤其在低速流的情况下。当流速非常低的情况下，空气有可能从环境中扩散进入气体喷射装置，进而掺入混合气体中，导致气体分压发生改变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体喷射装置，具有：气体通路，其包括位于上方的进气口和位于下方的出气口；以及光通路，其包括入射光通路和反射光通路，所述入射光通路和所述反射光通路分别位于所述气体通路的两侧，其中，气体经过所述气体通路到达待测样品表面，经由所述光通路和所述气体通路的出气口与所述待测样品表面间所形成的狭缝流出，气体的流动方式为层流，并且气流的佩克莱数大于1。
优选为，气体通路出气口内径、光通路内径及气体通路的出气口距待测样品表面的高度需满足以下关系式：
Fd/π(d2/2+Dh)μ＜200，
其中，F为气体流量，d为光通路内径，D为气体通路出气口内径，h为所述气体通路的出气口距待测样品表面的高度，μ为动粘滞率。
优选为，所述出气口内径大于所述进气口内径。
优选为，所述出气口内径为0.1～250mm。
优选为，所述光通路内径为0.5～20mm。
优选为，所述气体通路的出气口距待测样品表面的高度为0.1～10mm。
优选为，所述气体通路的长度为0.1～10cm。
优选为，所述气体通路的进气口内径为0.1～20mm。
优选为，形成有气体通路出气口的表面的直径为1～300mm。
附图说明
图1是气体喷射装置的结构示意图。
图2～图4是不同外形的气体喷射装置的结构示意图。
图5～图6是具有不同形状的光通路的气体喷射装置的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是气体喷射装置的一个实施例的结构示意图。本发明的气体喷射装置1具有：气体通路11，其包括进气口111和出气口112，进气口111位于气体喷射装置1的上部，出气口112位于气体喷射装置1的下部。优选为，出气口112的内径大于进气口内径111。光通路12，包括入射光通路121和反射光通路122，分别位于气体通路11的两侧。气体经过气体通路11到达待测样品13表面，经由光通路12和气体通路11的出气口112与待测样品13表面间所形成的狭缝流出。
我们对气体喷射装置的光通路和气体通路的具体参数进行设定，以保证在测试过程中溶剂蒸汽的流动方式为层流。
首先，我们需要定义气流并计算流速。根据V＝F/S，求得流速。其中，V为流速，F为气流量。假设以光通路12横截面积S1和气体通路11的出气口112距样品13表面间的狭缝的侧表面面积S2之和作为气流横截面积S，即
S＝S1+S2，
其中，光通路12的横截面积S1为入射光通路121的横截面积和反射光通路122的横截面积之和，进一步假设入射光通路121和出射光通路122的横截面积均为圆形，直径为d，则
S1＝πd2/2，
假设气体通路11的出气口112距待测样品13表面间的狭缝的侧表面面积S2为圆柱体侧表面面积，出气口112直径为D，狭缝的高度为h，则
S2＝πDh，
从而得到气流横截面积S＝πd2/2+πDh。
接下来，我们需要计算作为判别流动特性依据的雷诺数R，
R＝Vd/μ，
其中，μ为动粘滞率，若气体为空气，则μ＝2.2×10-5m2/s。
在本发明中，雷诺数小于200时，气流的运动方式为层流。则气体通路11的出气口112内径D、光通路12内径d，及气体通路11的出气口112距待测样品13表面的高度即狭缝的高度h需满足以下关系式，从而使气体的流动方式为层流：
Fd/π(d2/2+Dh)μ＜200，
其中，F为气体流量，d为光通路内径，D为气体通路出气口内径，h为所述气体通路的出气口距待测样品表面的高度，μ为动粘滞率。
出气口112内径长度优选为0.1～250mm。光通路12内径长度优选为为0.5～20mm。气体通路11的出气口112距待测样品13表面的高度优选为0.1-10mm。气体通路的进气口111内径长度优选为0.1～20mm。气体喷射装置中形成有气体通路出气口的横截面直径优选为1～300mm.
在更具体的一例中，气体喷射装置中光通路12的内径长度d为3mm，气体通路11的出气口112的内径D为5mm，出气口112与样品13表面的狭缝高度h为0.4mm。假设气体流量的变化范围为2～20L/h。则，根据上述公式可求得气流横截面积S＝0.2cm2。当气体流量为2L/h时，流速V＝2.8cm/s；当气体流量为20L/h时，流速V＝28cm/s。在气体流量为2L/h的情况下，R＝6.4；流量为20L/h的情况下，R＝64。这意味着上述参数的气体喷射装置中的气流的流动方式都是层流式的。
另外，气体通路11需要设计得足够长以防止空气返混(back diffusion)到测量区域。我们可以使用佩克莱数Pe来估算在本发明的气体喷射装置中气流的扩散和对流成分。在本发明中，Pe可以写作Pe＝VL/Da，其中，V为流速，L为气体通路11的长度，Da为空气在氩气中的扩散系数，约为0.2cm2/s。当Pe小于1时，气流以扩散为主；当Pe大于1时，可以忽略扩散的影响。
因此，在本实施例中气体通路11长度设计为足够长以防止空气回流到测量区域。进一步优选地，气体通路11长度L为0.1～10cm。可得到，当气体流量为2L/h的情况下，佩克莱数Pe为10.5，在气体流量为20L/h的情况下，Pe为105。当Pe大于10时，可以忽略扩散影响。表明，采用本发明中所公开的气体喷射装置，能够有效防止空气回流，特别是在流速非常低的情况下。
需要说明的是，在图1中示出的气体喷射装置的结构仅为示意性表示，不应理解为对本发明的限定，其外部形状可以为圆柱体等其他任意形状。为了更清楚的说明，在图2～4中表示了一些实施例中气体喷射装置的结构示意图，可以看到气体喷射装置的外部形状可以多种多样，只要是光通路、气体通路及狭缝的相关参数满足本发明中所涉及的范围，都应涵盖在本发明的保护范围内。
此外，在上述实施例中，以圆形为例计算了光通路的横截面积，但是光通路不限定于为圆形，例如也可以是椭圆形、矩形等任意形状，入射光通路和反射光通路的内径大小也可以是不相同的。此外，光通路也可以不是圆柱形，即光入射和经由光通路出射的孔径大小可不相同。光通路与气体通路设置角度也可以根据实际情况调整，图5、6中示出了一些实施例中光通路结构。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气体喷射装置，其特征在于，
具有：
气体通路，其包括位于上方的进气口和位于下方的出气口；以及
光通路，其包括入射光通路和反射光通路，所述入射光通路和所述反射光通路分别位于所述气体通路的两侧，
其中，气体经过所述气体通路到达待测样品表面，经由所述光通路和所述气体通路的出气口与所述待测样品表面间所形成的狭缝流出，气体的流动方式为层流，并且气流的佩克莱数大于1，
所述气体通路的出气口内径、所述光通路的内径及所述气体通路的出气口距所述待测样品表面的高度需满足以下关系式：
Fd/π(d2/2+Dh)μ＜200，
其中，F为气体流量，d为光通路内径，D为气体通路出气口内径，h为所述气体通路的出气口距待测样品表面的高度，μ为动粘滞率。
2.根据权利要求1所述的气体喷射装置，其特征在于，
所述出气口内径大于所述进气口内径。
3.根据权利要求1所述的气体喷射装置，其特征在于，
所述气体通路的出气口内径为0.1～250mm。
4.根据权利要求1所述的气体喷射装置，其特征在于，
所述光通路内径为0.5～20mm。
5.根据权利要求1所述的气体喷射装置，其特征在于，
所述气体通路的出气口距所述待测样品表面的高度为0.1～10mm。
6.根据权利要求1所述的气体喷射装置，其特征在于，
所述气体通路的长度为0.1～10cm。
7.根据权利要求1所述的气体喷射装置，其特征在于，
所述气体通路的进气口内径为0.1～20mm。
8.根据权利根据权利要求1所述的气体喷射装置，其特征在于，
形成有所述气体通路出气口的表面的直径为1～300mm。
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