CN115103501A - 环形构型气体团簇发生装置及环形构型氪气团簇制备方法 - Google Patents
环形构型气体团簇发生装置及环形构型氪气团簇制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及环形构型气体团簇发生装置及环形构型氪气团簇制备方法，目的是解决在现有喷气结构制约下，难以产生环形构型气体团簇的技术问题。本发明所提供的环形构型气体团簇发生装置，包括脉冲触发源、脉冲电源、超音速喷气结构和真空腔室，超音速喷气结构包括外罩和拉瓦尔喷嘴，拉瓦尔喷嘴内为环形气道，外罩包括前罩和后罩，前罩设置进气嘴和外绕线圈，后罩设置与拉瓦尔喷嘴相通的排气孔，前、后罩间固设有隔板，隔板设置拉杆；隔板左侧拉杆上套设复位弹簧和铁芯，复位弹簧抵接铁芯和前罩；隔板右侧设置压阀，压阀一端固连拉杆，另一端密封排气孔；脉冲触发源控制脉冲电源向外绕线圈输入脉冲电流。本发明同时提供环形构型氪气团簇制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备气体团簇的装置，具体涉及一种环形构型气体团簇发生装置及环形构型氪气团簇制备方法。
背景技术
团簇包括原子和分子团簇，是几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成相对稳定的微观聚集体，其物理和化学性质随所包含的原子数目而变化。团簇在理论物理研究,以及制造和发展特殊性能的新材料方面具有重要研究价值。
近年来，气体团簇广泛应用于激光与物质相互作用等领域。团簇具有体密度大、能量吸收率高、无残骸等优点，超强超短激光和团簇相互作用能产生各种形式的高能粒子，如x射线、高能粒子、高能中子等。Z箍缩是利用金属丝阵列或喷气负载产生圆柱形气流空心壳层，该壳层在强电流作用下向轴线箍缩聚爆运动，最终在轴线上滞止碰撞并产生强X射线辐射。Z箍缩可用于惯性约束聚变、高能密度物理等相关研究。目前根据制备团簇的种类，团簇产生方法主要包括：超声速喷射、播种束、气体聚合、激光蒸发、磁控溅射、原子蒸发和离子注入。尽管方法众多，但总体的机理为：先形成分子(原子)束，然后急剧降温冷却进而形成团簇。
直接超声速喷射膨胀法主要是为了产生范德瓦尔斯团簇，如惰性气体团簇、甲烷团簇等。高压气体以超声速经喷嘴向真空室喷射，进入真空室后迅速绝热膨胀，温度急剧下降，当气体原子的平均动能小于原子或分子间的结合能时，团簇形成。在利用超声速喷射形成团簇时，喷嘴的形状和尺寸不仅决定气体喷射的速度,而且影响团簇的大小以及密度分布。通常喷嘴有三种：声速喷嘴，喇叭形喷嘴，圆锥喷嘴，利用上述三种喷嘴产生的团簇均为实心圆柱形构型，不能产生环形构型的气体团簇，而在开展激光与团簇相互作用的实验时，经常需要产生环形构型的气体团簇结构。
发明内容
本发明的目的是解决超声束喷射膨胀法形成团簇时，在现有喷嘴形状和尺寸的制约下，只能产生实心圆柱形团簇构型，而难以实现在特定实验要求下产生环形构型气体团簇的技术问题，提供一种环形构型气体团簇发生装置及环形构型氪气团簇制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下。
一种环形构型气体团簇发生装置，其特殊之处在于：包括脉冲触发源、脉冲电源、超音速喷气结构和真空腔室；
所述超音速喷气结构包括外罩和拉瓦尔喷嘴，所述外罩包括前罩和后罩，前罩与后罩密封连接，所述前罩上设置进气嘴，前罩的外壁设置外绕线圈，所述后罩上设置排气孔，并与拉瓦尔喷嘴连接，所述排气孔与拉瓦尔喷嘴的进气口相通，所述前罩与后罩之间固设有隔板，隔板与前罩围成第一气室，与后罩围成第二气室，隔板上开有通孔连通第一气室与第二气室，隔板设置有贯穿其中心的拉杆，拉杆的前端设置有限位凸台；
所述第一气室内的拉杆上套设有铁芯和复位弹簧，铁芯靠近隔板，并由所述限位凸台限位，复位弹簧一端抵接铁芯，另一端抵接前罩前壁；
所述第二气室内设置有压阀，压阀与隔板之间设置压阀弹簧，压阀一端与拉杆固连，另一端与第二气室后端的后罩内壁相抵接，用于密封所述排气孔；
所述后罩与真空腔室之间密封连接，所述拉瓦尔喷嘴位于真空腔室内，所述拉瓦尔喷嘴的内部气道为环形气道；
所述脉冲触发源控制脉冲电源向外绕线圈输入脉冲电流。
进一步的，所述排气孔外侧的后罩内壁上设置有环形槽，环形槽内设置密封圈；所述压阀靠近排气孔的另一端为圆盖形，与密封圈配合，用于密封所述排气孔。
进一步的，所述进气嘴、拉杆、压阀和拉瓦尔喷嘴位于同一轴线，使得所述超音速喷气结构运行更加流畅，气流更加顺畅地进入真空腔室；
所述后罩靠近真空腔室一端设置有配合连接真空腔室的法兰结构。能够使得后罩与真空腔室之间的连接更加牢固、密封性更加可靠。
进一步的，所述排气孔为沿环形布置的多个排气孔，多个排气孔与拉瓦尔喷嘴的进气口相对应；
或者，所述排气孔为一个环形排气孔，环形排气孔中设置有用于连接内外后罩的连接筋板，环形排气孔与拉瓦尔喷嘴的进气口相对应。
进一步的，所述拉瓦尔喷嘴包括外壁和安装在外壁内部的芯轴，芯轴与外壁之间为环形气道。
进一步的，所述拉瓦尔喷嘴的环形气道内部最窄处宽度为0.25±0.01mm，环形气道出口处宽度为1.5±0.05mm。
进一步的，所述铁芯采用磁性材料，拉瓦尔喷嘴、外罩、压阀、压阀弹簧、隔板、拉杆、复位弹簧和进气嘴均采用无磁性不锈钢，使得铁芯能够有效感应外绕线圈产生的磁场。
同时，基于上述一种环形构型气体团簇发生装置，本发明还提供了一种环形构型氪气团簇制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1,将进气嘴与氪气源相接；
S2,将不小于两个大气压的氪气通过进气嘴充入外罩内；
S3,使脉冲触发源生成脉冲信号触发脉冲电源，脉冲电源产生强脉冲电流输出给超音速喷气结构的外绕线圈；
S4，在强脉冲电流下铁芯沿拉杆轴向发生位移，撞击拉杆的限位凸台；
S5，拉杆带动压阀位移，排气孔打开，使得外罩内的氪气进入拉瓦尔喷嘴后，在真空腔室内以超音速喷出，形成环形气流壳层；
S6，超音速的氪气环形气流壳层在真空环境中绝热膨胀，温度急剧下降，从而得到环形构型的氪气团簇。
进一步的，步骤S1之前，还包括步骤S0，使用外部真空泵机组将真空腔室抽至所需真空度。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的一种环形构型气体团簇发生装置，具有特殊结构的拉瓦尔喷嘴，利用拉瓦尔效应实现超音速喷气，形成环形构型气体团簇；
2、本发明提供的一种环形构型气体团簇发生装置，同轴线设置的进气嘴、拉杆、压阀和拉瓦尔喷嘴，使得所述超音速喷气结构运行更加流畅，气流更加顺畅地进入真空腔室；
3、本发明提供的一种环形构型气体团簇发生装置，拉瓦尔喷嘴设计有环形气道，在Z箍缩效应下产生实验所需的环形构型气体团簇；
4、本发明提供的一种环形构型气体团簇发生装置，其中超音速喷气结构利用电磁感应原理设计阀门开合，实现了压阀瞬间开合；
5、本发明提供的一种环形构型氪气团簇制备方法，利用环形构型气体团簇发生装置制备了实验所需的环形构型氪气团簇。
附图说明
图1为本发明一种环形构型气体团簇发生装置实施例的结构示意图；
图2为本发明一种环形构型气体团簇发生装置实施例中超音速喷气结构的结构示意图；
图3为本发明一种环形构型气体团簇发生装置实施例中的拉瓦尔喷嘴内部结构示意图；
图4为本发明实施例中真空腔室内不同时刻单层喷气负载产生的气流壳层沿轴向的剖面图，横坐标为像素(与几何尺寸对应关系为100像素对应3.65mm)，纵坐标为相对密度，右边的色条标尺表示气流场相对于标准状态下空气的归一化密度，图4(a)是-204μs时刻气流壳层沿轴向的剖面图，图4(b)是-136μs时刻气流壳层沿轴向的剖面图，图4(c)是-60μs时刻气流壳层沿轴向的剖面图，图4(d)是+4μs时刻气流壳层沿轴向的剖面图，图4(e)是+16μs时刻气流壳层沿轴向的剖面图，图4(f)是+188μs时刻气流壳层沿轴向的剖面图；
图5为+188μs时刻气流场中心低密度区域示意图；
附图标记说明：
1－真空腔室、2－超音速喷气结构、3－脉冲电源、4－脉冲触发源、2-1－拉瓦尔喷嘴、211－外壁、212－芯轴、2-2－压阀、2-3－压阀弹簧、2-4－隔板、2-5－铁芯、2-6－拉杆、2-7－复位弹簧、2-8－外绕线圈、2-9－外罩、2-10－进气嘴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的一种环形构型气体团簇发生装置，如图1至图3所示，包括脉冲触发源4、脉冲电源3、超音速喷气结构2和真空腔室1；所述超音速喷气结构2包括外罩2-9和拉瓦尔喷嘴2-1，所述外罩2-9包括前罩和后罩，前罩与后罩密封连接，所述前罩上设置进气嘴2-10，前罩的外壁设置外绕线圈2-8，所述后罩上设置排气孔，并与拉瓦尔喷嘴2-1连接，所述排气孔与拉瓦尔喷嘴2-1的进气口相通，所述前罩与后罩之间固设有隔板2-4，隔板2-4与前罩围成第一气室，与后罩围成第二气室，隔板2-4上开有通孔连通第一气室与第二气室，隔板2-4设置有贯穿其中心的拉杆2-6，拉杆2-6的前端设置有限位凸台；所述第一气室内的拉杆2-6上套设有铁芯2-5和复位弹簧2-7，铁芯2-5靠近隔板2-4，并由所述限位凸台限位，复位弹簧2-7一端抵接铁芯2-5，另一端抵接前罩前壁；所述第二气室内设置有压阀2-2，压阀2-2与隔板2-4之间设置压阀弹簧2-3，压阀2-2一端与拉杆2-6固连，另一端与第二气室后端的后罩内壁相抵接，用于密封所述排气孔；所述后罩与真空腔室1之间密封连接，所述拉瓦尔喷嘴2-1位于真空腔室1内，所述拉瓦尔喷嘴2-1的内部气道为环形气道；所述脉冲触发源4控制脉冲电源3向外绕线圈2-8输入脉冲电流。所述排气孔外侧的后罩内壁上设置有环形槽，环形槽内设置密封圈；所述压阀2-2靠近排气孔的另一端为圆盖形，与密封圈配合，用于密封所述排气孔。所述进气嘴2-10、拉杆2-6、压阀2-2和拉瓦尔喷嘴2-1位于同一轴线，使得所述超音速喷气结构2运行更加流畅，气流更加顺畅地进入真空腔室1；所述后罩靠近真空腔室1一端设置有配合连接真空腔室1的法兰结构。能够使得后罩与真空腔室1之间的连接更加牢固、密封性更加可靠。所述排气孔为沿环形布置的多个排气孔，多个排气孔与拉瓦尔喷嘴2-1的进气口相对应；或者，所述排气孔为一个环形排气孔，环形排气孔中设置有用于连接内外后罩的连接筋板，环形排气孔与拉瓦尔喷嘴2-1的进气口相对应。所述拉瓦尔喷嘴2-1包括外壁211和安装在外壁内部的芯轴212，芯轴212与外壁211之间为环形气道。所述拉瓦尔喷嘴2-1的环形气道内部最窄处宽度为0.25±0.01mm，环形气道出口处宽度为1.5±0.05mm。所述铁芯2-5采用磁性材料，拉瓦尔喷嘴2-1、外罩2-9、压阀2-2、压阀弹簧2-3、隔板2-4、拉杆2-6、复位弹簧2-7和进气嘴2-10均采用无磁性不锈钢，使得铁芯2-5能够有效感应到外绕线圈2-8产生的磁场。
基于上述一种环形构型气体团簇发生装置，本发明所提供的一种环形构型氪气团簇制备方法，包括以下步骤：
S0,使用外部真空泵机组将真空腔室1抽至所需真空度；
S1,将进气嘴2-10与氪气源相接；
S2,将不小于两个大气压的氪气通过进气嘴2-10充入外罩2-9内；
S3,使脉冲触发源4生成脉冲信号触发脉冲电源3，脉冲电源3产生强脉冲电流输出给超音速喷气结构2的外绕线圈2-8；
S4，在强脉冲电流下铁芯2-5沿拉杆2-6轴向发生位移，撞击拉杆2-6的限位凸台；
S5,拉杆2-6带动压阀2-2位移，排气孔打开，使得外罩2-9内的氪气进入拉瓦尔喷嘴2-1后，在真空腔室1内以超音速喷出，形成环形气流壳层；
S6，超音速的氪气环形气流壳层在真空环境中绝热膨胀，温度急剧下降，从而得到环形构型的氪气团簇。
为了验证产生的团簇参数，利用平面激光瑞利散射的方法对气流剖面进行诊断。
图4，提供了真空腔室内-204μs、-136μs、-60μs、+4μs、+16μs、+188μs等时刻气流壳层沿轴向的剖面图，图中的散射光强明显高于标准空气的散射强度，而实际气流分子数密度要比标准状态下空气密度低2～3个数量级，可知散射光强实为氪气团簇的散射光强，由于团簇的局部高密度特性，因此其散射光强高于标准空气下散射光强密度。
图5，可以明显看出真空腔室内形成了中空的壳层结构，达到了预期目的。
本发明的环形构型气体团簇发生装置，结构合理、安装简便。本发明中的拉瓦尔喷嘴2-1利用其结构不但实现超音速喷气，还能形成环形气流；本发明中同轴线设置的进气嘴2-10、拉杆2-6、压阀2-2和拉瓦尔喷嘴2-1，使得超音速喷气结构2运行更加流畅，高速气流喷出更顺畅；本发明的阀门设计利用电磁感应原理，反应迅速，瞬间启闭。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种环形构型气体团簇发生装置，其特征在于：
包括脉冲触发源(4)、脉冲电源(3)、超音速喷气结构(2)和真空腔室(1)；
所述超音速喷气结构(2)包括外罩(2-9)和拉瓦尔喷嘴(2-1)，所述外罩(2-9)包括前罩和后罩，前罩与后罩密封连接，所述前罩上设置进气嘴(2-10)，前罩的外壁设置外绕线圈(2-8)，所述后罩上设置排气孔，并与拉瓦尔喷嘴(2-1)连接，所述排气孔与拉瓦尔喷嘴(2-1)的进气口相通，所述前罩与后罩之间固设有隔板(2-4)，隔板(2-4)与前罩围成第一气室，与后罩围成第二气室，隔板(2-4)上开有通孔连通第一气室与第二气室，隔板(2-4)设置有贯穿其中心的拉杆(2-6)，拉杆(2-6)的前端设置有限位凸台；
所述第一气室内的拉杆(2-6)上套设有铁芯(2-5)和复位弹簧(2-7)，铁芯(2-5)靠近隔板(2-4)套设，并由所述限位凸台限位，复位弹簧(2-7)一端抵接铁芯(2-5)，另一端抵接前罩前壁；
所述第二气室内设置有压阀(2-2)，压阀(2-2)与隔板(2-4)之间设置压阀弹簧(2-3)，压阀(2-2)一端与拉杆(2-6)固连，另一端与第二气室后端的后罩内壁相抵接，用于密封所述排气孔；
所述后罩与真空腔室(1)之间密封连接，所述拉瓦尔喷嘴(2-1)位于真空腔室(1)内，所述拉瓦尔喷嘴(2-1)的内部气道为环形气道；
所述脉冲触发源(4)控制脉冲电源(3)向外绕线圈(2-8)输入脉冲电流。
2.根据权利要求1所述的一种环形构型气体团簇发生装置，其特征在于：所述排气孔外侧的后罩内壁上设置有环形槽，环形槽内设置密封圈；所述压阀(2-2)靠近排气孔的另一端为圆盖形，与密封圈配合，用于密封所述排气孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种环形构型气体团簇发生装置，其特征在于：
所述进气嘴(2-10)、拉杆(2-6)、压阀(2-2)和拉瓦尔喷嘴(2-1)位于同一轴线；
所述后罩靠近真空腔室(1)一端设置有配合连接真空腔室(1)的法兰结构。
4.根据权利要求3所述的一种环形构型气体团簇发生装置，其特征在于：
所述排气孔为沿环形布置的多个排气孔，多个排气孔与拉瓦尔喷嘴(2-1)的进气口相对应；
或者，所述排气孔为一个环形排气孔，环形排气孔中设置有用于连接内外后罩的连接筋板，环形排气孔与拉瓦尔喷嘴(2-1)的进气口相对应。
5.根据权利要求4所述的一种环形构型气体团簇发生装置，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(2-1)包括外壁(211)和安装在外壁(211)内部的芯轴(212)，芯轴(212)与外壁(211)之间为环形气道。
6.根据权利要求5所述的一种环形构型气体团簇发生装置，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴(2-1)的环形气道内部最窄处宽度为0.25±0.01mm，环形气道出口处宽度为1.5±0.05mm。
7.根据权利要求6所述的一种环形构型气体团簇发生装置，其特征在于：所述铁芯(2-5)采用磁性材料，拉瓦尔喷嘴(2-1)、外罩(2-9)、压阀(2-2)、压阀弹簧(2-3)、隔板(2-4)、拉杆(2-6)、复位弹簧(2-7)和进气嘴(2-10)均采用无磁性不锈钢。
8.一种环形构型氪气团簇制备方法，基于权利要求1-7任一所述的环形构型气体团簇发生装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1,将进气嘴(2-10)与氪气源相接；
S2,将不小于两个大气压的氪气通过进气嘴(2-10)充入外罩(2-9)内；
S3,使脉冲触发源(4)生成脉冲信号触发脉冲电源(3)，脉冲电源(3)产生强脉冲电流输出给超音速喷气结构(2)的外绕线圈(2-8)；
S4，在强脉冲电流下铁芯(2-5)沿拉杆(2-6)轴向发生位移，撞击拉杆(2-6)的限位凸台；
S5,拉杆(2-6)带动压阀(2-2)位移，排气孔打开，使得外罩(2-9)内的氪气进入拉瓦尔喷嘴(2-1)后，在真空腔室(1)内以超音速喷出，形成环形气流壳层；
S6，超音速的氪气环形气流壳层在真空环境中绝热膨胀，温度急剧下降，从而得到环形构型的氪气团簇。
9.根据权利要求8所述的一种环形构型氪气团簇制备方法，其特征在于：步骤S1之前，还包括步骤S0，使用外部真空泵机组将真空腔室(1)抽至所需真空度。
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