CN113376308A - 一种束源腔体精确转动的调节装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种束源腔体精确转动的调节装置，由束源真空腔体、齿轮组、同轴齿轮、转动固定板、轴承、设计定制连接件、直驱旋转马达、步进电机和计算机组成。整个调节装置由计算机控制，利用多级齿轮组省力原理，结合步进电机控制技术，提出了针对束源腔体精确转动的调节方案。此装置解决了现有系统的转动不稳定问题和无法对每次转动角度的均一性复位问题，并在此基础上实现了转动控制与数据采集过程的自动化，可以显著提升效率。

Description

一种束源腔体精确转动的调节装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及分子态态动力学研究中的交叉分子束方法，具体涉及一种束源腔体精确转动的调节装置及其测量方法。

背景技术

对于大多数基元化学反应，最重要的反应过渡态寿命一般在飞秒(fs，10^-15s)量级，实验直接观测是非常困难的，因此通用型交叉分子束方法另辟蹊径，利用两束反应物分子在真空腔体内部发生碰撞反应，随后用离子速度成像方法探测反应产物的速度分布与角度分布，继而利用能量守恒与动量守恒反推过渡态，理解反应中化学键的断裂与生成机理。

交叉分子束方法的基本原理是探测产物的飞行时间质谱(TOF)，发生反应的两个分子束分别有自己的腔体，通过调整两个腔体的朝向，可以获得两个分子束之间的不同夹角，即可以通过调节束源腔体的夹角研究在不同的碰撞能量下分子反应的结果，显然当两个束源夹角180°时，碰撞的能量是最大的，而夹角为0°时，碰撞的能量是最小的。但是对于不锈钢材质的束源腔体，自重甚至上百千克，目前采用的方法是先对角度进行划分标定，每1°在腔体表面刻1条细线，再利用一组齿轮组省力，然后人为地去转动腔体，根据细线标注进行角度调节。另外，交叉分子束对反应区域精度的要求一般在微米量级，即两分子束需要在同一平面汇聚到同一位置才能发生有效碰撞，因此整个实验装置对于震动较为敏感。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种束源腔体精确转动的调节装置及其测量方法，用于在微观层次理解化学反应，以助于了解燃烧化学，大气化学等复杂过程中蕴含的化学机理。本发明解决目前腔体转动技术有两个问题，第一是随着腔体密封圈的磨损老化，转动不锈钢腔体的难度越来越高，而使用非常大的力气去转动腔体时，往往不能很准确地转动到合适的位置，而且容易引起整个腔体的震动。第二点是为了保持实验条件的均一性，改变碰撞能量的需求是很频繁的，每次实验中需要多次转动束源腔体，而每次转动位置的均一性很重要，目前的技术无法满足复位的要求。为了克服现有技术的不足，提供一种束源腔体精确转动的调节装置，能够根据需求对束源腔体进行精确转动与复位，而且整个过程实现自动化，不需要人力，省时且不容易出错。

为实现上述问题，本发明提供了一种束源腔体精确转动的调节装置，所述的装置包括束源真空腔体11、束源真空腔体顶板13、齿轮组、同轴齿轮、转动固定板、轴承、设计定制连接件、直驱旋转马达、步进电机和计算机；其中：

所述束源真空腔体顶板13固定有两个转动固定板，所述转动固定板内嵌轴承，所述束源真空腔体的转动通过齿轮组和同轴齿轮实现，各组件之间通过连接杆紧密连接在一起；

所述束源真空腔体顶部安装齿轮Ⅰ12，与束源真空腔体顶板不相连；

直驱旋转马达和步进电机组成直驱电机旋转滑台21，受计算机的控制，用于输出力矩，通过齿轮组传导最终转动束源腔体，同时记录位移值用于标定束源真空腔体的旋转角度，实现调节束源真空腔体转动角度的自动化。

所述齿轮组包括齿轮Ⅰ12、齿轮Ⅱ15、齿轮Ⅲ14和齿轮Ⅳ16。

齿轮组与同轴齿轮作为传输系统，将需要的直接实现困难的束源真空腔体转动过程逐级传导，以牺牲更多的空间位移转变为最终直驱旋转马达的旋转过程；

转动固定板提供一个稳定的平台，固定在整个真空腔体顶部，用于维持整个转动过程中各个部件的转动稳定性，内嵌轴承用于支撑机械体旋转，减小摩擦；

连接件为设计定制品，根据轴承中心孔径，齿轮中心孔径，直驱旋转马达和步进电机的固定螺纹孔径设计加工，用于把各个组件紧密连接在一起，提升转动过程的稳定性；

直驱旋转马达、步进电机组成直驱电机旋转滑台系统，受计算机的控制，用于输出力矩，通过齿轮组传导最终转动束源腔体，同时记录位移值用于标定束源真空腔体的旋转角度，实现调节束源真空腔体转动角度的自动化。

所述束源真空腔体11为密闭腔体，与整体的腔体之间可以实现内部相对转动。

所述输出力矩组件为直驱电机旋转滑台21，由直驱旋转马达和步进电机组成。

一种束源腔体精确转动的调节装置的测量方法，所述测量方法为：

根据需要转动的束源腔体自重和直驱电机旋转滑台的输出转矩决定齿轮组的级数和参数，在进行真空实验前利用计算机连接直驱电机旋转滑台，获取初始位置参量，再驱动电机一定的位移，标定电机位移与束源腔体角度之间的关联，获得转化参数。在实际实验中设定起始角度、终点角度、步长参数、需扫描位置总数，按照转化参数转化为电机位移之后逐次写入脚本，循环扫描这些位置进行数据采集，最后进行平均。

本发明的具体技术解决方案：一种束源腔体精确转动的调节装置，整个装置由一个束源真空腔体11、两套齿轮组、一个同轴齿轮、两个转动固定板、两个轴承、两套连接件、一个直驱旋转马达和步进电机组成的直驱电机旋转滑台和一台计算机组成；其中：

束源真空腔体11与整个真空腔体之间以弹簧蓄能密封圈封闭真空，束源腔体顶部安装大齿轮Ⅰ12，与整个真空腔体的顶板13不相连，此处转动大齿轮Ⅰ12会带动束源真空腔体11的转动，即等效转动；

同轴齿轮组为设计定制品，根据束源腔体质量与电机转矩估算其参数，其中齿数较少的小齿轮Ⅲ14与束源真空腔体齿轮Ⅰ12以链条相连，齿数较多的大齿轮Ⅱ15与腔体固定板的齿轮Ⅳ16以链条相连。当转动固定板的较小齿轮Ⅳ16时，齿轮Ⅱ15会随之转动，同时同轴齿轮Ⅲ14跟随转动，最终带动束源真空腔体齿轮Ⅰ12，以此利用齿轮传动省力，使需要的转矩降低到电机能达到的规格；

转动固定板Ⅰ17(传动组合片的固定板)、转动固定板Ⅱ18(电机旋转滑台的固定板)为设计定制品，根据真空腔体顶侧空余位置制作，一侧固定于真空腔体顶板13，一侧与齿轮相接。转动固定板Ⅰ17内嵌轴承用于支撑机械体旋转，降低摩擦，与同轴齿轮Ⅲ14、齿轮Ⅱ15利用连接件Ⅰ19紧配合相接。转动固定板Ⅱ18内嵌轴承，与齿轮Ⅳ16利用连接件Ⅱ20紧配合相接；

连接件Ⅰ19(传动组合片的同轴连接杆)、连接件Ⅱ20(齿轮与电机旋转滑台的连接件)为设计定制品，连接件Ⅰ19根据转动固定板Ⅰ17的轴承与同轴齿轮Ⅲ14、齿轮Ⅱ15的内径确定。连接件Ⅱ20根据转动固定板齿轮Ⅳ16中心和直驱电机旋转滑台21大小确定，顶侧为平面，直驱电机旋转滑台可以与其固定，底侧为柱状，与齿轮Ⅳ16紧配合相接；

直驱电机旋转滑台21包含了步进电机和RS232接口，能够直接驱动旋转台，实现位移调整自动化。首先旋转真空束源腔体至某一角度θ₀，然后驱动电机运行一定的位移l，记录旋转之后的角度得到θ，从而得到校正系数α＝(θ-θ₀)/l，对于一个目标角度θ_r，我们就驱动电机的位移为(θ_r-θ₀)/α，从而保证每次旋转的角度的一致性。除此以外，可以使用计算机22控制直驱电机旋转滑台21，编写循环扫描脚本来实现自动化的数据采集。

本发明具有以下有益的效果：能够根据需求实现分子束源的精确转动，多次转动的重复定位精度也会比人眼估测优秀很多；同时能够实现自动化的数据采集方案，可以显著提升效率，不需要人类的重复工作；减小了不同人对于刻度不同的判断标准带来的误差以及人为可能引入的失误，赋予了通用型交叉分子束实验更为稳定均一的实验环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中的束源腔体精确转动调节装置的结构示意图；

图中：11、束源真空腔体；12、束源腔齿轮Ⅰ；13、整个真空腔体的顶板；14、传动组合片的小齿轮Ⅲ；15、传动组合片的大齿轮Ⅱ；16、小齿轮Ⅳ；17、转动固定板Ⅰ；18、转动固定板Ⅱ；19、连接件Ⅰ；20、连接件Ⅱ；21、直驱电机旋转滑台；22、计算机。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统在测试了束源腔体转动需要的力矩之后，最终选择了两段式齿轮组合用于减少需要的转矩。

11为需要转动的束源腔室，图中为俯视图，中心线标注了分子束的方向，在图的中央圆心处与另一固定方向的分子束发生碰撞反应，同时在反应中心引入特定波长的解离激光，母体产物分子光解产生的解离碎片通过共振增强多光子电离(REMPI)的手段进行选态电离。当束源腔室转动时束源跟随转动，通过改变碰撞的角度改变分子碰撞的能量，研究在不同碰撞能量下反应的异同。

齿轮12通过螺杆固定在11顶部，通过齿轮的旋转来达到旋转束源腔室的目的，因为束源腔室过沉，无法直接转动，因此使用齿轮组以牺牲更多的位移距离来减小需要的扭力，我们使用了传动组合片进行两段省力，其中15有45齿，14有10齿，小齿轮与束源腔齿轮12以六分链条相连，大齿轮与旋转滑台一侧的齿轮16相连，起到了最大的省力效果，传动组合片中心在定制时打了15mm直径的孔，与固定板17内置的轴承用连接杆19相连，利于小阻力的转动。

齿轮16和直驱电机旋转滑台21利用螺杆固定在一起，当旋转滑台旋转时，电机带动齿轮16一起旋转，并通过齿轮组传播，最后转动束源腔体。直驱电机旋转滑台21与计算机22通过RS232接口相连，方便在计算机中实时调整束源腔体的角度。初次使用时需要进行标定，即首先将束源腔体转动至170°和65°(因为腔体本身宽度和需要引入激光的限制，我们只能选取这一段的角度进行实验)进行阈值限制，以防止束源腔体超过上下的阈值。随后我们将最小角度65°时的位移标记为0，根据最大角度170°下的位移l，得到角度每增加1°需要的位移l/105，从而完成标定，对于需要的角度θ，我们会指定直驱电机旋转滑台移动(θ-65)*l/105。

随后针对一系列碰撞能下的交叉分子束反应研究，我们可以得到一系列需要的旋转角度θ₁,θ₂…θ_n，随后转化为一系列位移值l₁,l₂…l_n，然后编写计算机脚本，即转动至l₁，采集数据，转动至l₂，采集数据……转动至l_n之后再反向旋转，得到两组数据进行平均，以尽可能减少随机误差。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种束源腔体精确转动的调节装置，其特征在于：该装置包括束源真空腔体(11)、束源真空腔体顶板(13)，所述束源真空腔体顶板(13)固定有两个转动固定板，所述转动固定板内嵌轴承，所述束源真空腔体的转动通过齿轮组和同轴齿轮实现，各组件之间通过连接件紧密连接在一起；

所述束源真空腔体顶部安装齿轮Ⅰ(12)，与束源真空腔体顶板不相连；

直驱旋转马达和步进电机组成直驱电机旋转滑台(21)，受计算机的控制，用于输出力矩，通过齿轮组传导最终转动束源腔体，同时记录位移值用于标定束源真空腔体的旋转角度，实现调节束源真空腔体转动角度的自动化。

2.根据权利要求1所述的束源腔体精确转动的调节装置，其特征在于：所述齿轮组包括齿轮Ⅰ(12)、齿轮Ⅱ(15)、齿轮Ⅲ(14)和齿轮Ⅳ(16)。

3.根据权利要求1所述的束源腔体精确转动的调节装置，其特征在于：所述同轴齿轮具体为，齿轮Ⅲ(14)与齿轮Ⅰ(12)以链条相连，齿轮Ⅱ(15)与齿轮Ⅳ(16)以链条相连。

4.根据权利要求1所述的束源腔体精确转动的调节装置，其特征在于：所述束源真空腔体(11)为密闭腔体，与整体的腔体之间可以实现内部相对转动。

5.一种如权利要求1-4任一所述的束源腔体精确转动的调节装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法为：

根据需要转动的束源腔体自重和直驱电机旋转滑台的输出转矩决定齿轮组的级数和参数，在进行真空实验前利用计算机连接直驱电机旋转滑台，获取初始位置参量，再驱动电机一定的位移，标定电机位移与束源腔体角度之间的关联，获得转化参数。在实际实验中设定起始角度、终点角度、步长参数、需扫描位置总数，按照转化参数转化为电机位移之后逐次写入脚本，循环扫描这些位置进行数据采集，最后进行平均。

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