[发明专利]一种使用无隔膜型激波管的超高温分子束源

说明书

技术领域

本发明涉及高能量分子束流产生技术领域，特别是一种使用无隔膜型激波管的超高温分子束源。

背景技术

分子束技术是实验上研究气体-表面相互作用的一种重要方法。在散射实验中，产生可以精确控制分子的平移动能以及内部自由度的分子束，用来研究气体-表面体系，获得表面的势能等重要信息，目前产生分子束的方法有：种子束方法(seeded beam method)：使用一个加热的喷嘴，通常用于产生平移能量在个位数电子伏特(eV)的分子束，但是对束流特性的控制，受到喷嘴材料的最大工作温度的限制，不能产生较高能量的分子束；超高温的分子束源：可以产生一束包含分解的成分种类，是研究表面反应的重要方法，一个电弧加热的喷嘴束流源可以产生高度解离的分子束，但是，这样的分子束包含了由于电极腐蚀而产生的表面收到污染的铜原子，不适合于需要清洁表面的散射实验；激光引爆源和放电源：不会受喷嘴材料的限制，可以产生相对较高能量的束流，但是气体分子的速率分布的范围较大，在具体实验中较难控制条件。为了准确地估计动量和能量相关参数，迫切需要一种能产生较窄速率分布的分子束的方法，所述一种使用无隔膜型激波管的超高温分子束源能解决这一问题。

激波管通常是一根两端封闭的柱形长管，中间用一膜片隔成两段，分别充以满足模拟要求的高压驱动气体和低压被驱动气体；膜片破裂后，高压气体膨胀，产生向低压气体中快速运动的激波，并产生向原高压气体端传播的膨胀波。激波的压缩作用是会使被驱动气体的参量有相应的变化，例如压强和温度有较大的提高，从而得到符合模拟要求的工作条件。由于激波运动相当迅速，经激波压缩后的实验气体参量只能在短暂时间(通常是毫秒级到微秒级)内保持不变，相应的流动也只在短暂时间内保持定常。用激波管获得的气体流动，可用于不同目的的空气动力学试验研究。

发明内容

为了克服现有的分子束源的各种缺陷，本发明提供了一种使用无隔膜型激波管的超高温分子束源，激波管安装于真空腔内、且激波管体积比传统的小，实验中能够容易控制条件，准确地估计动量和能量相关参数，是一种能产生较窄速率分布的分子束源。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种使用无隔膜型激波管的超高温分子束源，主要包括由分流器I和分流器II相间隔为真空室I和真空室II和真空室III而组成的真空腔、驱动气体进口、主阀、高压室、低压室、束流出口I、分流器I、排气口I、排气口II、排气口III、斩波器、束流出口II、分流器II、供气阀、供气入口、排气口IV、排气阀，所述排气阀连接所述低压室、且其排气口IV位于所述真空室I外，所述供气阀连接所述低压室、且其供气入口位于所述真空室I外，所述斩波器位于所述真空室II内，所述排气口I、排气口II、排气口III外分别连接不同抽速的分子泵并分别对所述真空室I、真空室II、真空室III抽真空，由所述驱动气体进口、主阀、高压室、低压室、束流出口I依次连接组成激波管，所述激波管位于所述真空室I，所述分流器I和所述分流器II中间均开有小孔。

在分子源工作时，所述真空室I、真空室II和真空室III的真空度分别可为10^-2Pa、10^-4Pa、10^-6Pa。所述激波管使用氦气作为驱动气体，使用氮气或氧气作为被驱气体，使用氮气作为被驱气体时产生的氮分子束流的平移能量约为1电子伏特(eV)，使用氧气作为被驱气体时出射的束流中还包含解离出来的氧原子、且分子束的解离率可以通过调节氧气的供气量来改变，并使用飞行时间的方法来表征氮气和氧气分子束的特性，分子束中分子的速率分布满足麦克斯韦-玻尔兹曼分布。所述激波管直径约2毫米至4毫米，长度300毫米。所述主阀是高导电率阀并用于替代隔膜型激波管中的隔膜，其响应速度快、响应时间约200微秒。所述分流器I和所述分流器II中间的小孔直径约为0.4毫米至0.8毫米，能够使垂直其入射的一小部分分子束流通过。