DE1923832B2

DE1923832B2 - Vorrichtung zur erzeugung von teilchenstrahlen durch freie entspannung eines gases

Info

Publication number: DE1923832B2
Application number: DE19691923832
Authority: DE
Inventors: Roger Paris Campargue
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-05-14
Filing date: 1969-05-09
Publication date: 1976-12-02
Also published as: LU58515A1; CH508414A; DE1923832A1; FR1579570A; GB1227048A; BE732288A; ES367220A1; US3583633A

Description

D₀

XKn₀

AU

PJ

= Knudsen-Zahl für ein Gas mit dem Druck Po vor seiner Entspannung in dem Gefäß und

= Konstante, die gleich ca. 0,125 für ein Gas ist, dessen Verhältnis der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck bzw. konstantem Volumen gleich 1,4 ist, und die mit diesem Verhältnis ansteigt;

und daß P\lP\ möglichst groß ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Teilchenstrahlen, mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Gas unter einem Druck "0 in eine konvergierende Düse, die in ein Gefäß mit einem Druck P, kleiner als P₀ mündet und mit einer divergierenden Austrittsöffnung oder Blende auf der Düsenachse versehen ist, wobei der Abstand b zwischen der Mündung der Düse und der Eintrittsöffnung der Blende mindestens den lOOfachen Durchmesser Db der Mündung der Düse beträgt.

Bekanntlich finden die durch freie Entspannung erzeugten Strahlen verschiedene wichtige Anwendungen, insbesondere zur Trennung der Bestandteile eines Gasgemisches oder zur Bildung von Molekularstrahlen. Die besonderen Vorteile derartiger Strahlen (keine Beeinflussung durch Wände, Vermeidung von Stoßen zwischen den Molekülen des Strahls, genaue Bestimmung der Auftreffstelle des Strahls auf ein Target usw.) machen sie für Untersuchungen wie die folgenden geeignet: Gasanalyse, Strukturuntersuchung von Molekülen, Ionen, Radikalen (z. B. durch Erzeugung optischer Hyperfeinstrukturspektren, die nicht dem Doppler-Effekt unterliegen); Untersuchung elastischer und unelastischer Stöße (Anregung, Ionisation, Dissoziation, chemische Reaktion usw.); Bildung von lonenquellen, Protonenquellen, Plasmaquellen; Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Gas und Oberflächen (Kondensation, Verdampfung, Diffusion, Raumforschung) usw.

Derartige Strahlen werden in einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art (vgl. FR-PS 13 60 332) durch freie Entspannung eines Gases oder Gasgemisches über eine enge öffnung in einer dünnen Wand, die den Auslaß einer konvergierenden Düse darstellt, aus einem ersten Gefäß mit einem Druck F₀ in ein zweites Gefäß mit einem Druck P\ hergestellt, wobei der axiale Teil des so entspannten Strahls anschließend von einem dritten Gefäß durch eine kegelstumpfförmig konvergierende Blende aufgefangen wird.

Derartige Strahlen werden in der bekannten Vorrich tung bereits mit einer relativ großen Intensität und bei relativ geringer Pumpleistung im zweiten Gefäß erzeugt Insbesondere hat diese Vorrichtung in Reihe mit dem dritten Gefäß, in dem durch Pumpen ein Zwischenvakuum aufrechterhalten wird, ein viertes Gefäß, in dem tatsächlich ein Molekülstrahl erzeugt wird, wobei in diesem vierten Gefäß ein relativ niedriger Druck aufrechterhalten wird und das vierte Gefäß über eine zweite Blende koaxial zur ersten versorgt wird, die den axialen Teil des das dritte Gefäß durchlaufenden Strahls ausscheidet.

Bei dieser Vorrichtung kann der Druck P₁ einen relativ hohen Wert, nämlich mehr als 10-² Torr (1 Torr ist gleich dem Druck von 1 mm Hg unter normalen Bedingungen), im Gegensatz zu früheren Vorrichtungen aufweisen, bei denen der Druck viel niedriger, in der Größenordnung von insbesondere IC-" Torr, liegen mußte; eine derartige Erhöhung des Drucks Pi hat den großen Vorteil, daß die Pumpleistung für das zweite Gefäß für eine gegebene Strahlintensität beträchtlich verringert werden kann.

Bis jetzt blieb aber der Druck P₀ in der Größenordnung von einigen 10 Torr oder sogar von einigen 100 Torr bei Umgebungstemperatur. Für höhere Werte von P₀ wurden jedoch keine Versuche wegen der Gefahr der Kondensation des Gases und vor allem wegen Schwierigkeiten bei der Erreichung hoher Pumpleistungen durchgeführt, Schwierigkeiten, die zu unwirtschaftlichen Vorrichtungen für höhere Werte des Entspannungrverhältnisses Po/Pi zu führen schienen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei nicht übermäßigen Pumpleistungen die Stärke des erzeugten Teilchenstrahls beträchtlich erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Abstand b näherungsweise für ein ;iicht kondensiertes, reines Gas durch folgende Gleichung bestimmt ist:

Kn₀ P₁

und daß P%IP\ möglichst groß ist.

Demgegenüber war es bisher lediglich bekannt (vgl. FR-PS 13 60 332), den Abstand b genau einzustellen, die Stärke des Teilchenstrahls durch Verringerung der Düsenöffnung zu erhöhen, die Knudsen-Zahl als Funktion des Drucks Pn darzustellen und schließlich die relative Strahlstärke als Funktion des Drucks P₀ und des Abstands b anzugeben.

Ferner ist es bekanntgeworden (vgl. Zeitschrift für Naturforschung. Bd. 15a, S. 714-723), daß bei der /Vasströmung eines Gas- oder Isotopengemisches aus einer konisch verjüngten, konvergenten Düse zu einem rotationssymmetrischen Abschäler die bei genügend hoher Dichte in größerer Entfernung von der Düse zu beobachtende Anreicherung der leichten Komponente im Strahlkern vom Expansionsverhältnis, also vom Verhältnis PolPi, und dem Einlaßdruck selbst abhängt

Die erfindungsgemäße Gleichung (1) gibt eine besonders gute Näherung für den Druck Pi von 10-² bis 10 Torr.

Zur Konstante k ist noch zu bemerken, daß Gase, deren Verhältnis der spezifischen Wärmen gleich 1,4 ist, aus gestreckten Molekülen wie N₂, O₂, CO₂, N₂O bestehen, während bei einem Verhältnis der spezifi schen Wärmen von z. B. 1,67 (für Edelgase; H₂ und D₂ unter bestimmten Bedingungen) k auf ca. 0,15 ansteigt.

Daß die Stärke des erzeugten Teilchenstrahls um so größer ist, je größer das Verhältnis PJjZP₁ ist, sofern die übrigen Größen in der erfindungsgemäß angegebenen Gleichung konstant gehalten werden, kann folgendermaßen gezeigt werden:

Es ist im wesentlichen bekannt, daß die Knudsen-Zahl Kno gleich dem Verhältnis A₀/D₀ ist. wobei Ao die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle in dem ersten Gefäß mit dem Druck P₀ bezeichnet.

Nun ist der Parameter A₀ der von der Art des Gases abhängt, proportional zur Größe

Po

wobei i)o, T₀ und M die Viskosität, die absolute Temperatur bzw. die Gasmolekülmasse im ersten Gefäß bezeichnen.
Der Ausdruck

1 Pq

Kn₀ ' P₁'

der den zweiten Faktor in der Gleichung (1) bildet, ist daher proportional zu

und ändert sich daher proportional zu P\IP\.

Nun ist einerseits bekannt, daß die Intensität eines Molekülstrahls theoretisch proportional dem Quadrat jeweils dem gleichen Koeffizi znten 100 führt zu einem um den Faktor 100 größeren Verhältnis P%IP\.

Diese überraschende Schlußfolgerung, die zur Durch führung von Versuchen mit relativ großen Werten Po geführt hat, gestattet schließlich die Erzeugung von außerordentlich starken Strahlen bei annehmbaren Pumpleistungen.

Es ist ersichtlich, daß die Erhöhung von P₀ gemäß der Erfindung zur Erhöhung des Entspannungsverhältnis-,o sesPo/Pi und damit der Strahlintensität bei einer Verringerung von Pi den Vorteil eines höheren Wirkungsgrades zeigt, indem Störungen der Entspannung infolge des Einfrierens der Freiheitsgrade der Moleküle umerdrückt werden. Wenn nämlich der is Druck Pi sehr klein infolge eines relativ niedrigen Drucks P₀ ist, nehmen die Gasdichte und damit die Stoßfrequenz seiner Moleküle so schnell während der Entspannung ab, daß das thermodynamische Gleichgewicht nicht lange zwischen den verschiedenen Freiheitsgraden dieser Moleküle erhalten bleibt, so daß man schnell nacheinander das Einfrieren der Freiheitsgrade der Oszillation und Rotation, falls vorhanden, und danach der Translationsfreiheitsgrade beobachten kann was einem Übergang in den molekularen Zustand entspricht: Dieser Zustand stellt sich daher im Straru schon lange ein, bevor dieser die optimale Entfernung ο durchlaufen hat, die durch die obige Gleicnung(l) gegeben ist, was sich in einer entsprechenden Verringerung der Mach-Zahl und der Intensität des to erzeugten Strahls äußert. .

Die Gleichung(1) ist für reine, nicht kondensiere Gase hergeleitet worden, sie ist aber gleichfalls als erste Näherung für Gasgemische und insbesondere tür diejenigen Gemische brauchbar, die zu sogenannten 3s »dotierten« Strahlen führen, die aus einem relativ schweren Gas bestehen, das auf einige % oder noch weniger in einem leichten Gas verdünnt ist.

Der Zustand der Nichtkondensation ist im allgemeinen für ein Gas erfüllt, solange das Produkt P₀D₀ unter einem für jedes Gas charakteristischen Schwellenwert

Dieser Schwellenwert, ausgedrückt in Torr, beträgt bei normaler Temperatur beispielsweise 60 fur Kohlendioxyd, 85 für Argon und 500 für Stickstoff. ₄, Für alle Anwendungen ist zu beachten, daß in der obigen Gleichung (1) der erste Faktor b/Do genauer (b-x_o)IUo geschrieben werden müßte, wobei xo der axiale Abstand zwischen der Mündung der Düse und dem »>Quellen«-Punkt ist, von dem die Stromlinien des

Research Council, Reports and Memoranda, P. L. Owen, CK. Thornhill, The Flow in an Axially-Symmetric Supersonic Jet from a Nearly-Sonic Orifice into a Vacuum, 1952, S. 7), daß das Verhältnis b/Do eine mit der Mach-Zahl zunehmende Funktion ist, d. h., daß dieses Verhältnis proportional zu Po^?/ Pi ist.

Daraus folgt nicht nur unmittelbar, daß eine Erhöhung des Entspannungsverhältnisses Po/Pi für eine Erhöhung der Intensität des Strahls günstig ist. was bereits bekannt war, sondern auch, daß eine Änderung von Po einen größeren Einfluß auf die Erhöhung der Intensität als eine umgekehrt proportionale Änderung von Pi hat und es selbst für einen gegebenen Wert des Entspannungsverhältnisses (dieser Wert bestimmt in Näherung die Pumpleistung im zweiten Gefäß) ν= 1.67). aber da er immer kleiner als 1 ist. ist sein Einfluß auf die Genauigkeit der Gleichung (1) geringer

ss als 1%. d.h. viel geringer als die Genauigkeit, mit der die

" Konstante * bekannt ist: aus diesem Grund ist x₀ in der obigen Gleichung absichtlich vernachlässigt worden.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung naher erläutert werden. Es zeigt ,

«so Fiel eine Schnittansicht eines Ausführungsbe.sp.els der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erzeugung von Molekularstrahlen; die Vorrichtung ist so aufgebaut, daß der Molekülstrahl möglichst nahe an de Quelle verwendbar ist, d. h. der Strahl im Bereich der

6s höchsten Dichten divergiert, und

- . ■·_-._- Darstellung zur besseren

ler Erfin-

Multinlikation der beiden Drücke P₀ und P, mit dung

In F i g. 1 ist ein Vorratsbehälter 1 mit Gas unter einem Druck Po abgebildet, das über ein Absperrorgan 2 zugeführt und in eine konvergierende Düse 3 geleitet wird, deren Mündung kreisförmig ist und einen Durchmesser Do hat.

Eine Entspannungskammer 4, in die die Düse 3 mündet, ist mit einer Zwischenkammer 5 über eine auf der Achse der Düse angeordnete kegelstumpfförmig divergierende Blende geeigneter Geometrie und mit scharfem Rand verbunden, wobei der Abstand zwischen der Mündung der Düse und der Eintrittsöffnung der Blende gleich b ist Die Zwischenkammer 5 ist ihrerseits mit einer dritten Kammer 7 zur Anwendung des Molekülstrahls verbunden, in der der gewünschte Molekülstrahl erzeugt wird, und zwar durch eine zweite kegelstumpfförmig divergierende Blende 8, die gleichachsig zu der ersten Hegt Pumpen 9—11 erzeugen in den drei Kammern 4—7 Drücke P₁, Pz bzw. P₃. Eine Einrichtung 12 erlaubt die Verstellung des Abstands b, um das Verhältnis b/Do auf seinen durch die Gleichung (1) gegebenen optimalen Wert einzustellen. Die öffnungswinkel der Kegel, die die Blende und den Kollimator bilden, sind viel kleiner als gewöhnlich verwendet, er hat für die Blende einen Wert von 30° für den Innenwinkel und von 40° für den Außenwinkel.

Der Öffnungswinkel des Kegels, der den Kollimator bildet, ist viel kleiner als der der Blende.

Die Länge des äußeren Kegels ist sehr groß, da sie 20 mm beträgt, was die vollständige Ausnutzung der in der ersten Kammer verfügbaren Pumpleistung erlaubt.

In der graphischen Darstellung von F i g. 2 ist auf der Ordinate die dimensionslose Größe b/Do und auf der Abszisse die andere dimensionslose Größe

Kn₀

- AM

P₁ )

aufgetragen.

Eine Gerade 13, die die Winkelhalbierende zwischen den Koordinatenachsen ist, ist eine graphische Darstellung der obigen Gleichung (1). Eine horizontale Gerade 14 entspricht b/Do= 100.

Punkte 15 gelten für ein Verhältnis b/Do unter 60.

Die beiden folgenden Ausführungsbeispiele der schematisch in F i g. 1 abgebildeten Vorrichtungen beziehen sich auf normale Temperatur.

Ausführungsbeispiel 1

Das verwendete Gas war Stickstoff, der Druck Pi betrug etwa 10-'Torr, der Durchmesser Do 0,05mm und der Druck Po 10⁴ Torr (das ergab ein Produkt P₀Do von 500 bei Erfüllung der Bedingung der Nichtkondensation). In diesem Ausführungsbeispiel 1 betrugen die Drücke P₂ und P₃ etwa 5 · 10~⁴ bzw. 10-⁶Torr, der Durchmesser der Eintrittsöffnungen der Blenden 6 und 8 0,5 bzw. 1 mm und die durch die Pumpen 10 und 11 erreichten Pumpleistungen etwa 100 bzw. 10001/sec.
Die dafür vorgenommene Berechnung zeigte,

daß der optimale Wert des durch die Gleichung (1) berechneten Verhältnisses b/Do ungefähr 125 betrug,

daß die theoretische Mach-Zahl in der Eintrittsöffnung der Blende 6 etwa 25 betrug, so daß sie das etwa ίο 2 —3fache der früher erhaltenen Werte war, was einer Erhöhung der Intensität um einen Faktor von etwa 4—9 entsprach, und

daß die Pumpleistung zur Aufrechterhaltung des Druckes Pi in der Entspannungskammer 4 nur etwa 35—401/sec betrug.

Der für das Ausführungsbeispiel 1 berechnete Wert ist in F i g. 2 der Punkt 16.

Ausführungsbeispiel 2

Als Gas wurde reines Helium verwendet, die Drücke P₁, P₂ und P₃ und der Durchmesser der Eintrittsöffnungen der Blenden 6 und 8 waren gleich den Werten für das Ausführungsbeispiel 1, während der Durchmesser Z^)O₁IO mm und der Druck P₀5 · 10⁴ToH-betrug.

Unter diesen Bedingungen ergaben sich:

Der optimale Wert des Verhältnisses b/Do, berechnet nach Gleichung (1), zu etwa 400;

die theoretische Mach-Zahl in der Eintrittsöffnung in der Blende zu etwa 180, d. h. das 10—20fache der früher erhaltenen Mach-Zahlen, was einem 100—400fach intensiveren Strahl entsprach, und

die zur Aufrechterhaltung des Druckes Pi in der ?> Entspannungskammer 4 notwendige Pumpleistung zu ungefähr 2000 l/sec, was mit Hilfe kommerziell erhältlicher Pumpen leicht erreichbar war (z. B. durch ROOTS-Pumpen).

Die Pumpleistung in der Kammer 5 wich nicht stärker von der für das Ausführungsbeispiel 1 ab; eine Diffusionspumpe 10 mit einer Pumpleistung von einigen 10~²1/sec reichte aus.

Für eine höhere Intensität des in der Kammer 7 erzeugten Molekülstrahls stellte die die Blende 8 durchströmende Gasmenge einen relativ großen Teil der durch die Blende 6 strömenden Gasmenge dar, so daß allein der Rest von letzterer Gasmenge durch die Pumpe 10 abgepumpt werden mußte.

Die Pumpe 11 war eine Diffusionspumpe mit einer Leistung von etwa 50 0001/sea

Der für das Ausführungsbeispiel 2 gültige Wert ist in Fig. 2der Punkt 17.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Erzeugung von Teilchenstrahlen, mit einer Einrichtung zur Zufuhr von Gas unter einem Druck Po in eine konvergierende Düse, die in ein Gefäß mit einem Druck Fi kleiner als Fo mündet und mit einer divergierenden Austrittsöffnung oder Blende auf der Düsenachse versehen ist, wobei der Abstand b zwischen der Mündung der Düse und der Eintrittsöffnung der Blende mindestens den lOOfachen Durchmesser D₀ der Mündung der Düse beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand b näherungsweise für ein nicht kondensiertes, reines Gas durch folgende Gleichung bestimmt ist: