一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法与流程

本发明涉及一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法，属于团簇离子束技术领域。

背景技术：

超音速喷嘴是离子源装置的核心部件，起着举足轻重的作用，它的几何形状决定了团簇尺寸、束流密度、空间分布、束流温度、团簇形成效率等。becker等人首先提出了利用超音速喷嘴使高压气体或化合物产生团簇，通常源气压在4～20bar之间，喷嘴孔径介于0.1～0.2mm。团簇的基本形成过程为高压源气体经过喷嘴的小孔进入真空时，绝热膨胀并冷却，绝热膨胀降低了气体原子的相对速度，从而形成团簇，冷却首先导致气体的过饱和，然后气体冷凝压缩成团簇。所有这些过程都发生在距离喷嘴小孔几毫米的位置处，因此在团簇的生产过程中尤其需要注意喷嘴所处的环境。

目前已有各式各样的喷嘴用来产生团簇离子束，圆锥喷嘴和拉瓦尔喷嘴是其中效果最佳的两种喷嘴，两者均属于会聚-发散超音速喷嘴。拉瓦尔喷嘴更适合于形成定向平行气体束流，而圆锥喷嘴用于产生发散的气体束流。但是，相比圆锥喷嘴，拉瓦尔喷嘴的截面几何形状复杂(抛物线)，生产难度大，所以圆锥喷嘴应用更为广泛。

当前用于产生气体团簇离子束喷嘴的制备方法有两种。一种加热拉伸法，亦即吹制法，以石英玻璃管为原材料，通过氢气火焰加热石英玻璃，并进行拉伸、吹制石英管，拉伸过程中，石英管加热软化处变细，退火后形成喷嘴的小孔。此方法操作简单，所制造的石英喷嘴对反应气体仍具有化学惰性，但可重复性低，精确度低，难以形成所需直径(0.1mm)的喷嘴。此外，很难控制石英喷嘴发散部分的几何形状，所形成的喷嘴其孔口轴线与发散部分也很难保证严格平行，这容易影响真空室中喷嘴与轴线的准直，使离子束的准直性受到极大影响。

另一种方法是机械钻孔法(也可用激光钻孔或电火花钻孔)，通常用于制备金属喷嘴。用这种方法虽然可以制造出精度高、重复性好的喷嘴，但该方法需要非常精确的设备和高空间精度，成本高、操作复杂。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法，通过可熔金属在筒状复合模具中加热、熔化并快速冷却成型，形成喷嘴。本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法成本低、耗时短、操作简便、精确度高，且形成的超音速喷嘴可具有任何理想的几何形状，满足了各种团簇形成技术的要求。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法，包括以下步骤：

(1)在加热板上安装顶面设有圆锥的底板；

(2)在底板的圆锥上放置与圆锥同轴的内腔为圆柱形的模具筒，模具筒的内径大于等于底板上圆锥的直径；

(3)向模具筒的内腔填充可熔金属；

(4)对加热板进行加热，使可熔金属在模具筒的内腔中熔化成可熔金属熔液；

(5)将金属针模浸没到可熔金属熔液中，所述金属针模包括用于密封模具筒内腔的封盖以及封盖下方的针部；针部的顶点紧贴底板上圆锥的顶端且针部与底板上圆锥同轴；

(6)将金属针模、底板、模具筒依次冷却至室温，使金属熔融物结晶；

(7)从模具筒中取出金属针模和底板，完成喷嘴制造。

所述可熔金属采用熔点在100～400℃的金属或合金。

所述模具筒、底板和金属针采用与可熔金属不具亲和性的材料。

步骤(5)所述针部为圆锥形，或纵切面轮廓线为抛物线的锥形。

步骤(5)所述金属针模的封盖上方设有抓取部。

步骤(6)具体包括以下过程：

(6-1)向金属针模的上表面以1～3立方厘米/秒的速度浇注常温水进行冷却，注水时间2～5秒，形成喷嘴的发散部分；

(6-2)向底板以1～3立方厘米/秒的速度浇注常温水进行冷却，注水时间4～8秒，形成喷嘴的收敛部分；

(6-3)向筒状模具上以1～3立方厘米/秒的速度浇注常温水进行冷却，注水时间10～15秒，使可熔金属熔液充分结晶，直至温度冷却至50℃。

所述可熔金属选用锡铅焊料，所述模具筒、底板和金属针采用带有自然氧化层的铝材料。

所述金属针模的针部通过在小钻床的卡盘上打磨、抛光加工而成。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法的冷却过程采用先冷却金属针模和底板、最后冷却筒状模具的顺序，优先使喷嘴发散部分和收敛部分(汇聚部分)结晶成型，避免可熔金属熔液结晶时水泡溢出到喷嘴发散部分的表面对喷嘴内表面造成影响，虽然模具冷却时不可避免地会在模具筒内表面附近形成水泡，但仅影响制成的喷嘴外表面的粗糙度，能够保证喷嘴内表面清洁并抛光，不会影响团簇的形成；

(2)本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法相对于石英喷嘴加热垂直拉伸发，可重复性好，精确度高，可控性好，可形成任何理想几何形状的超音速喷嘴，所形成喷嘴内表面清洁并抛光，孔径可仅为0.02mm；

(3)本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法相对机械钻孔法(或激光、电火花钻孔)，成本低，对设备要求低，操作简便，耗时短；

(4)本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法的喷嘴孔径由底板圆锥和金属针模的针部的顶点相对接触隔断可熔金属熔液形成，制作的喷嘴孔径能达到0.02mm，内表面光滑度极好，显著改善使用喷嘴过程中气体输入时团簇的形成；

(5)本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法所有接触熔融金属的金属针模和底板的表面与金属熔化物不相熔、不粘连，便于喷嘴成型后顺利取出金属针膜和底板；

(6)本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法可按要求改变模具筒、底板、金属针的形状或尺寸，以及可熔金属的种类，以形成任何理想几何形状、材质的超音速喷嘴，满足了各种团簇形成技术的要求。

附图说明

图1是实施例一中可熔金属填充状态示意图。

图2是实施例一中可熔金属熔液熔化状态示意图。

图3是实施例一中金属针模浸没状态示意图。

图4是实施例一中取出金属针模和底板状态示意图。

图5是实施例二中金属针模浸没状态示意图。

图6是实施例二中取出金属针模和底板状态示意图。

图中：1-加热板，2-底板，3-圆锥，4-模具筒，5-可熔金属，6-可熔金属熔液，7-用于形成圆锥型超音速喷嘴的金属针模，7’-用于形成拉瓦尔laval超音速喷嘴的金属针模，8-圆锥型超音速喷嘴，8’-拉瓦尔laval超音速喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法，该方法可以形成任何理想的几何形状(拉瓦尔喷嘴、锥型超音速喷嘴)，通过可熔金属(熔点介于100～400℃)在复合模具中加热、熔化并快速冷却成型，形成喷嘴，所制备的喷嘴可适用于任何活性不太高的源气体，如ar、xe、h2、o2、n2、co2等。所形成喷嘴的内表面清洁并抛光，孔径达到了0.02mm，且可按要求改变模具筒、底板、金属针的形状或尺寸，以及可熔金属的种类，以形成任何理想几何形状、材质的超音速喷嘴，满足了各种团簇形成技术的要求。

实施例一：

以制备圆锥型超音速喷嘴为例，本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法包括以下步骤：

(1)参照图1，在加热板1上安装顶面设有圆锥3的底板2；

(2)在底板2的圆锥3上放置与圆锥3同轴的内腔为圆柱形的模具筒4；

(3)向模具筒4的内腔填充可熔金属5；

(4)参照图2，对加热板1进行加热，使可熔金属5在模具筒的内腔中熔化成可熔金属熔液6；

(5)参照图3，将用于形成圆锥型超音速喷嘴的金属针模7浸没到可熔金属熔液中，所述金属针模包括用于密封模具筒内腔的封盖以及封盖下方的圆锥形的针部；针部的顶点紧贴底板上圆锥的顶部尖端且针部与底板上圆锥同轴；

所述金属针模和底板的形状决定了喷嘴的发散部分和收敛部分的形状，并且可以设计任何理想的几何形状，金属针尖的半径还决定了喷嘴的孔径。为使喷嘴的发散和收敛部分具有光滑的内表面，且在喷嘴完成后顺利取出金属针模和底板，模具筒、底板和金属针采用与可熔金属不具亲和性的材料，本实施例可熔金属选用锡铅焊料，以带有自然氧化层的铝材料作为模具筒、底板和金属针。

所述的金属针模、底板、模具筒均可用车床加工，而金属针模需要额外的表面抛光，形成极其光洁的外表面，从而确保形成具有光滑内表面的超音速喷嘴。金属针尖端须尽可能锐化、细化，以达到喷嘴所需的极小孔径，可通过夹在小钻床的卡盘上打磨、抛光步骤加工而成。

(6)将金属针模、底板、模具筒依次冷却至室温，使金属熔融物结晶；

冷却过程关系着喷嘴表面质量的优劣，在可熔金属的结晶过程中，可熔金属的密度会增加，而同时金属针模、底板、筒状模具形成了一个封闭空间，这会导致水泡、气泡的形成。一旦这些缺陷出现在喷嘴表面，就会在喷嘴的发散部分产生冲击波，这样喷嘴输入源气体时，冲击波会破坏团簇的形成。为避免产生缺陷而降低喷嘴质量，可采用特殊的冷却方式，首先在金属针上浇注水使金属熔体结晶形成喷管的发散部分，然后冷却底板形成喷管的会聚部分，最后冷却整个筒状模具，使熔体在室温下完全结晶。先在金属针模和底板上注水冷却，可以优先使喷嘴发散、会聚部分结晶成型，保证喷嘴内表面清洁并抛光，避免金属熔化物结晶时水泡对喷嘴内表面的影响。最后，筒状模具冷却时仍然会在其内表面附近形成水泡，但只会影响喷嘴的外表面，不影响团簇的形成。

本实施例以锡铅合金为可熔金属，其中锡铅含量分别为40％、60％，带有自然氧化层的铝材料作为模具筒。将模具筒加热到300℃使锡铅合金充分熔化，待金属针模与模具筒共同作用形成圆锥喷嘴的发散、收敛部分(会聚部位)，将金属针模、底板、筒状模具冷却至室温，使锡铅合金的熔化物结晶。具体冷却工艺如下：

(6-1)向金属针模的上表面以1～3立方厘米/秒的速度浇注常温水进行冷却，注水时间2～5秒，形成喷嘴的发散部分；

(6-2)向底板以1～3立方厘米/秒的速度浇注常温水进行冷却，注水时间4～8秒，形成喷嘴的收敛部分；

(6-3)向筒状模具上以1～3立方厘米/秒的速度浇注常温水进行冷却，注水时间10～15秒，使可熔金属熔液充分结晶，直至温度冷却至50℃。

(7)参照图4，从模具筒中取出金属针模和底板，完成喷嘴8制造。

所述可熔金属采用熔点在100～400℃的金属或合金

所述模具筒、底板和金属针采用与可熔金属不具亲和性的材料。

步骤(5)所述金属针模的封盖上方设有抓取部。

最终制得的圆锥型超音速喷嘴8如图4所示，喷嘴支架外径d＝33mm，支架内径d＝13mm，支架长l＝35mm，喷嘴长l＝30mm，喷嘴发散部位的圆锥角α＝10°，会聚部位的圆锥角β＝90°，喷嘴孔径0.05mm。按照实验结果要求，还可制备其他内部参数的圆锥型超音速喷嘴，各个参数范围为：喷嘴支架外径d介于5mm～50mm；支架内径d介于3mm～30mm；支架长l介于20mm～200mm；喷嘴长l介于15mm～200mm；喷嘴发散部位的圆锥角α介于3～20°；收敛部位的圆锥角β介于45～180°；喷嘴孔径介于0.02mm～0.5mm。

实施例二：

参照图5和图6，以制备拉瓦尔laval超音速喷嘴为例，本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法与实施例的过程相同，仅将用于形成圆锥型超音速喷嘴的金属针模7替换为用于形成拉瓦尔laval超音速喷嘴的金属针模7’，其针部采用纵切面轮廓线为抛物线，制备得到的拉瓦尔laval超音速喷嘴8’。按照实验结果要求，同样可制备各种尺寸的拉瓦尔喷嘴，各参数范围为：喷嘴支架外径d’介于5mm～50mm；支架内径d’介于3mm～30mm；支架长l’介于20mm～200mm；喷嘴长l’介于15mm～200mm；喷嘴发散部位的抛物线y＝ax²，a可按照需要取任何正数；收敛部位的圆锥角β’介于45～180°；喷嘴孔径介于0.02mm～0.5mm。

本发明提供的一种用于产生团簇束的超音速喷嘴制造方法，通过可熔金属在筒状复合模具中加热、熔化并快速冷却成型，形成喷嘴，制作成本低、耗时短、操作简便、精确度高，所形成喷嘴的内表面清洁并抛光，孔径达到了0.02mm，且可按要求改变模具筒、底板、金属针的形状或尺寸，以及可熔金属的种类，以形成任何理想几何形状、材质的超音速喷嘴，满足了各种团簇形成技术的要求。