超声气体束装置的制作方法

本发明属于物理和化学实验技术领域，具体涉及一种能够产生超声速气体束的实验装置，用于获得具有定向性的低温超声气体束。

背景技术：

在物理与化学研究领域，经常需要获得超声速气体束，作为实验室研究对象。如果超声气体束的温度很低，则更有利于实验精度的提高。因此如何获得稳定的、连续的、定向的超声速气体束，对于物理和化学实验具有重要意义。此外超声气体束也是获得气体团簇源的主要方式。目前获得超声速气体束的主要方法就是使高压气体通过一个很小的喷嘴向真空室中喷气，通过气体的绝热膨胀，把分子的无序热运动能转化为定向运动的动能。然后再通过一个或者一组差分光阑取出一束定向性很好的超声速气体束。基于这一基本原理，本发明方案是采用高压气体经过一个小孔（如直径10微米），向真空室中喷气，使气体在真空中自由膨胀，于是在喷嘴附近形成一个静区，用一个差分光阑从静区选取一束定向运动的气体束，然后再用两个差分光阑对气体束进行限束，以进一步降低气体束的横向速度（即温度），最终在真空室中获得稳定的超声气体束。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一套能够产生超声速气体束的实验装置（简称超声气体束装置），为实验室开展的物理和化学研究提供稳定的、连续的低温超声气体束。

本发明提供的超声气体束装置，其结构如图1所示，具体包括：五维可调气体喷嘴、三级差分光阑组、五级全钛真空腔室、涡轮分子泵和真空规管；其中：

所述五维可调气体喷嘴，包括：一根不锈钢管，顶端安装有一个喷嘴，气体喷嘴内可以充0.2~20巴的气压。不锈钢管另一端固定在一个法兰上；法兰则安装在五维调节平台上，并通过一段波纹管与五级全钛真空腔室连接，使不锈钢管和喷嘴处于真空腔室中。通过五维调节平台对法兰的调节，实现对喷嘴的x、y、z三维位置调节和x、y方向的角度调节，以确保在喷气过程中使气体碰撞的静区与后续差分光阑位置匹配；

所述三级差分光阑组，由三个同轴的差分光阑（skimmer，一种类似于喇叭口的分流器）组成，光阑的作用是通过气体束并隔绝杂散气体，三个光阑分别通过三个法兰固定在一个光阑塔上（其安装面可采用铟丝密封）。光阑塔采用一体加工，确保三个光阑孔同轴以及三个平面平行，三个平面再分别与五级全钛真空腔室的真空室密封连接（其每个安装面确保密封）；光阑塔侧面挖空，确保光阑卡掉的杂散气体从侧面被抽走，尽量减少对次级真空室的影响。光阑塔的一体化设计可有效减小组装件的安装误差，很好地实现三级差分光阑的同轴以及三个安装面的平行。

所述五级全钛真空腔室，是实现真空的主体，其中，气体喷嘴通入第一级真空室中，三级差分光阑分别分隔第2到第4级真空室；第4级真空室是获得超声气体束的实验腔室；第5级真空室为收集级，即超声气体束通过第4级实验腔室以后在第5级被收集抽走，避免对第4级真空室背景真空的影响。

五级全钛真空腔室的每一级真空腔室分别设置真空规管，真空规管连接真空计，用于对各级腔室的真空度进行实时监控。

所述涡轮分子泵，用于产生整个装置工作的高真空条件。

系统的真空管道采用金属钛，连接处用cf标准的刀口法兰配合无氧铜密封圈，确保系统工作时无漏气；用分子泵与机械泵对真空管道进行抽真空。

本发明采用高压气体经过一个小孔，向真空室中喷气，使气体在真空中自由膨胀，在喷嘴附近形成一个静区，用一个差分光阑从静区选取一束定向运动的气体束，然后再用两个差分光阑对气体束进行限束，进一步降低气体束的横向速度（即温度），最终在真空室中获得稳定的超声气体束。

附图说明

图1为超声气体束装置示意图。

图2为五维可调气体喷嘴示意图。

图3为光阑塔结构示意图。

图4五级真空腔室示意图。

图5超声气体束系统总装图。

图中标号：1为喷嘴，2为与气体钢瓶相连的管道，3为五维调节台的连接法兰，4为x和y方向的位置调节导轨，5为z方向调节用波纹管5，6为z方向调节用螺杆，7为与真空腔室相连的法兰，8为第一级差分光阑，9为按装第一级差分光阑的法兰面，10为第二级差分光阑，11为安装第二级差分光阑的法兰面，12为第三级差分光阑，13安装第三级差分光阑的法兰面，14为第一级真空腔室，15为第二级真空腔室，16为第三级真空腔室，17为第四级真空腔室，18为第五级真空腔室，19为真空规管，20为光阑塔。

具体实施方式

本发明建立的超声气体束装置，具体包括：五维可调气体喷嘴、三级差分光阑组、五级全钛真空腔室、涡轮分子泵和真空规管。超声气体束装置结构示意如图1所示。其中：

五维可调气体喷嘴示意图见图2。将一个10微米（也可以替换为20微米和30微米）的喷嘴1安装在真空管道上，采用法兰压接，铟密封。真空管道焊接在一个法兰上，并通过管道2与气体钢瓶相连。改变气体钢瓶上的减压阀，可以实现真空管道内压力在0.2~20巴范围内改变，这个气压就是喷嘴注气前的内部压力。注气管道和喷嘴管道都焊接在法兰3上，然后安装在一个五维调节机构上，五维调节机构的作用是确保在喷气过程中使气体碰撞的静区与后续差分光阑位置匹配。x和y方向的位置调节机构采用导轨4链接，可以实现相对位置平动，每个方向运动最大距离为20毫米。z方向调节通过波纹管5和螺杆6支撑的方式实现，即调节螺杆5长度可以改变波纹管长度，以实现对喷嘴的z方向位置调节，调节范围为0~30毫米。改变四根螺杆5上螺距的相对长度，就可以实现对喷嘴x方向和y方向摆角的微小调节。五维调节结构及喷嘴通过法兰7与真空腔室相连。通过这个调节机构，可以实现气体喷嘴相对差分光阑位置的在线调节，以确保差分光阑位于喷嘴注气形成的静区中心，且三级差分光阑形成的直线位于喷嘴中心。

三级差分光阑组作用是获取一束定向的超声气体束，图3是结构图。安装时要求三个差分光阑的小孔同心，即三个差分光阑的小孔圆心在同一条直线上，并使这条线位于上述喷嘴的中心。第一级差分光阑8的孔的直径为100微米，安装在法兰面9上。第二级差分光阑10直径为300微米，安装在法兰面11上，第三级差分光阑12为1毫米，安装在法兰面13上。三个差分光阑安装在光阑塔上，为确保安装精度，光阑塔采用一体加工，可以很好的保证三级光阑安装槽的同心度以及三个密封面的平行。安装过程采用望远镜配合激光对中，以确保三级光阑孔同心且与光阑塔平面垂直。光阑塔侧面开孔，用于排出经光阑卡掉的杂散气体，要求光阑塔加工过程尽量增加侧面开口的尺寸，以利于抽气。采用三级差分光阑组的作用是为了确保超声气体束实验腔室获得超高真空。一般情况下，第一级光阑卡掉的气体很多，相应地真空度比较差，第二级真空度会好于第一级，随着级数增加，光阑卡掉的气体逐渐减少，真空度逐级提高。

五级全钛真空腔室作用是获得真空，见图4。纯钛是一种非常理想的超高真空材料，具有不出气，无剩磁的特点，非常适合用作无剩磁超高真空腔室的材料。第一级真空腔室14用于安装注气喷嘴，由于注气时，高压气体经过喷嘴进入真空腔室，因此在第一级会形成很强的抽气负载，为此第一级需要大抽速分子泵。第二级真空腔室15、第三级真空腔室16和第四级真空腔室17分别与光阑塔20的三个平面密封安装，即第一级光阑后面是第二级真空腔室15；第二级光阑后面是第三级真空腔室16；第三级光阑后面是第四级真空腔室17，也是获得超声速气体束的腔室；第五级真空腔室18为收集级，超声气体束最终在收集级被分子泵抽走，为提高抽速，一般采用分子泵偏心安装，使超声气体束打在分子泵叶片上，而不是分子泵中心。每一级真空腔室都与分子泵相连，用于抽气，分子泵后面连接机械泵，用于获取初级真空。同时每一级真空腔室安装有真空规管19并连接真空计，对各级腔室的真空度进行实时监控。表1是各级真空室、喷嘴及光阑的孔直径、对应的分子泵抽速、各级真空腔室的静态背景真空度和各级真空腔室在有4巴氮气注入时的真空度。从表中对比注气前后真空变化可以看出，第五级在注气时真空度明显变差，说明有超声气体束形成且由收集级所收集，而注气前后第四级真空度没有变化，说明形成超声气体束且顺利地通过第四级实验腔室。

表1，超声气体束测试数据表，第一列为各级真空室，第二列为喷嘴及差分光阑直径，第三列是各级真空室连接的分子泵抽速，第四列是真空腔室的背景真空度，第五列是注4巴氮气时的各级真空度

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