一種可視化氣體團簇離子射流的方法及裝置與流程
2023-08-11 17:10:56
本發明涉及一種可視化氣體團簇離子射流的方法及裝置，屬於氣體團簇離子束領域。
背景技術：
離子注入技術是一門材料表面改性技術，從20世紀60年代至今在國際上已得到蓬勃發展並應用廣泛。基本原理是：用一定能量、一定劑量的離子束轟擊靶材，由於靶材中的原子或分子會與離子束會發生一系列物理化學反應，導致入射離子能量損失，離子速度在固體材料的抵抗下慢慢降低，最終停留在靶材中。因其會改變材料表面成分、結構，進而優化材料表面性能，甚至獲得某些新的優異性能，已經在材料表面改性領域取得卓越成績，尤其是半導體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等表面改性上產生了可觀的經濟效應、社會效應。
但在離子注入過程中，當單原子離子沿著晶體的晶向注入時，會因為與晶格原子發生較少的碰撞而入射到很深的位置，產生拖尾現象，導致結深加大。為滿足超淺表面的改性要求，在降低注入離子能量、改變入射傾斜角的同時，使用多原子離子也成為切實可行的方法，因此團簇離子束技術得到重視。
氣體團簇離子束設備可以產生原子數達到數千甚至上萬的多原子離子，但整臺設備精密複雜，需要各個部件的完美配合才能得到預期結果。高壓噴嘴就是其重要組成部件之一，能否形成多原子團簇高壓噴嘴起著關鍵作用。氣流經噴嘴噴射出後在低壓氣氛(0.1–1pa)中發生膨脹，形成具有特殊形狀的射流，而氣體團簇主要在距離噴嘴一定範圍的位置處形成。所以，確定氣體噴射流的幾何形狀及確認分束器的位置對團簇的形成具有重要意義。模擬仿真表明，分束器尖端的最佳位置是射流中的馬赫盤附近。此外，團簇經過馬赫盤時會被衝擊波迅速擊毀，所以，明確噴射流的結構尤其馬赫盤的位置極其重要，而噴射流又是無色的氣態，以目前的設備難以直接觀測。
技術實現要素：
為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種可視化氣體團簇離子射流的方法及裝置，便於分析並調節其餘各部件位置，產生預期氣體團簇，實現無色的噴射流可視化檢測，以供後續分析。
本發明為解決其技術問題所採用的技術方案是：提供了一種可視化氣體團簇離子射流方法，包括以下步驟：
(1)高壓進氣管中的高壓氣體通過噴嘴，噴嘴內外的壓強差和溫度差使高壓氣體凝聚成團簇離子或顆粒，利用安裝於噴嘴和高壓進氣管之間的脈衝閥以毫秒脈衝控制，形成脈衝式射流從噴嘴噴出；
(2)射流噴射至電極處，產生輝光放電現象，利用攝像裝置實時拍攝射流從噴嘴噴出的準直狀態以及噴射至電極處的放電狀態。
所述噴嘴和電極之間施加電壓300～800v。
所述噴嘴和電極之間的距離為10～15cm。
所述噴嘴和電極之間的電流為0.5～2ma。
所述射流噴射過程在真空腔室內進行，真空腔室的氣壓為0.1～1pa。
本發明同時提供了一種基於上述方法的可視化氣體團簇離子射流裝置，包括真空腔室及設置在其內部的高壓進氣管和電極，所述高壓進氣管的噴氣口處安裝有噴嘴，噴嘴和高壓進氣管之間設置有脈衝控制閥，所述噴嘴接地，電極和噴嘴之間設有用於施加300～800v電壓的電路，真空腔室外設有用於拍攝噴嘴至電極之間氣路的攝像裝置。
所述噴嘴採用純鋁材料超聲噴嘴，噴嘴形狀為錐形，其錐口直徑為0.1～0.2mm；其通過粗加工和微細加工製成，其中粗加工為採用pcb刀具進行切削加工，極限孔徑達到0.21～0.3mm；微細加工為利用電火花數控打孔，極限孔徑達到0.1～0.2mm。
電極和噴嘴之間用於施加電壓的電路上設置有電流表。
所述真空腔室內設有用於承託高壓進氣管的固定架，所述固定架上設有兩顆分別用於在豎直方向和水平方向調節高壓進氣管位置的螺釘。
所述固定架的尾部通過波紋管連接於真空腔室內部。
本發明基於其技術方案所具有的有益效果在於：
(1)本發明一種可視化氣體團簇離子射流方法能夠適用於較寬的氣壓範圍，對源氣體無類別要求，適用於各種氣體；
(2)本發明一種可視化氣體團簇離子射流方法利用噴嘴將高壓進氣管中的源氣體噴射出來，因為噴嘴孔徑極小，導致噴嘴兩邊存在大的壓強差和溫度差，促使氣體材料膨脹並絕熱冷卻，凝聚成團簇粒子或顆粒；
(3)本發明一種可視化氣體團簇離子射流方法利用合理設置的噴嘴和電極之間的距離、電流、電壓，高壓放電產生電子，使中性團簇粒子電離、放電、發光，實現射流射至電極處時產生輝光放電，使氣體射流可視化，其中電流設置在0.5～2ma，能夠讓輝光放電處於合適亮度，便於攝像裝置拍攝；
(4)本發明可視化氣體團簇離子射流裝置為上述方法提供硬體基礎，可在標準溫度和一定氣壓下，採用氣體原料，通過錐形噴嘴後，氣體材料膨脹並絕熱冷卻，冷凝成中性團簇，然後在高電壓作用下噴射流產生輝光放電，使得無色射流可視化；
(5)本發明可視化氣體團簇離子射流裝置中所有噴嘴孔徑極小，能夠產生大的壓強差以及溫差促使形成重團簇；
(6)本發明可視化氣體團簇離子射流裝置中的拍攝裝置能夠實時反映輝光放電現象，進而反饋噴射流情況，便於及時調節各部件位置。
附圖說明
圖1是本發明可視化氣體團簇離子射流裝置的結構示意圖。
圖2是中性團簇由於輝光放電形成的可見束流。
圖中：1-波紋管，2-螺釘，3-高壓進氣管，4-固定架，5-脈衝控制閥，6-噴嘴，7-射流，8-電極，9-攝像裝置，10-電流表，11-真空腔室，12-輝光放電下的氣體射流，13-側面衝擊波，14-形成理想團簇的最佳區域，15-錐形馬赫盤頂點。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
本發明提供了一種可視化氣體團簇離子射流方法，包括以下步驟：
(1)高壓進氣管中的高壓氣體通過噴嘴，噴嘴內外的壓強差和溫度差使高壓氣體凝聚成團簇離子或顆粒，利用安裝於噴嘴和高壓進氣管之間的脈衝閥以毫秒脈衝控制，形成脈衝式射流從噴嘴噴出；
(2)射流噴射至電極處，產生輝光放電現象，利用攝像裝置實時拍攝射流從噴嘴噴出的準直狀態以及噴射至電極處的放電狀態。
所述噴嘴和電極之間施加電壓300～800v。
所述噴嘴和電極之間的距離為10～15cm。
所述噴嘴和電極之間的電流為0.5～2ma。
所述射流噴射過程在真空腔室內進行，真空腔室的氣壓為0.1～1pa。
本發明同時提供了一種基於上述方法的可視化氣體團簇離子射流裝置，參照圖1，包括真空腔室11及設置在其內部的高壓進氣管3和電極8，所述高壓進氣管的噴氣口處安裝有噴嘴6，噴嘴和高壓進氣管之間設置有脈衝控制閥5，所述噴嘴接地，電極和噴嘴之間設有用於施加300～800v電壓的電路，真空腔室外設有用於拍攝噴嘴至電極之間射流7氣路的攝像裝置9。
一定氣壓下(1-10個大氣壓)氣體原料(ar、co2、n2等)由高壓進氣管輸送。脈衝閥置於高壓氣瓶與噴嘴之間，開關離合比例為5％～50％，頻率1～20hz，以毫秒脈衝控制氣流，實現脈衝式間歇供氣，使最大氣壓達到1mpa，通過差分真空系統實現107的壓差比。
所述噴嘴6採用純鋁材料超聲噴嘴，噴嘴形狀為錐形，其錐口直徑為0.1～0.2mm；其通過粗加工和微細加工製成，其中粗加工為採用pcb刀具進行切削加工，極限孔徑達到0.21～0.3mm；微細加工為利用電火花數控打孔，極限孔徑達到0.1～0.2mm。由於噴嘴孔徑極小，導致噴嘴兩邊存在巨大的壓強差和溫度差，促使氣體膨脹並絕熱冷卻，凝聚成團簇粒子或顆粒，形成團簇粒子束，經噴嘴噴出後形成7射流，包含單體(原子數等於1)和團簇(原子數大於1，甚至上千)。
電極和噴嘴之間用於施加電壓的電路上設置有電流表10，可用於控制電極和噴嘴間電流設置為0.5～2ma。
所述真空腔室內設有用於承託高壓進氣管的固定架4，所述固定架上設有兩顆分別用於在豎直方向和水平方向調節高壓進氣管位置的螺釘2，可用於更好地調節噴嘴位置。
所述固定架的尾部通過波紋管1連接於真空腔室內部，可方便固定架的移動。
參照圖2為通過噴嘴後中性團簇由於輝光放電形成的可見束流，其中標示了噴嘴6出口、輝光放電下的氣體射流12、側面衝擊波13、形成理想團簇的最佳區域14以及錐形馬赫盤頂點15。在噴嘴出口處，噴射流呈發散的錐形，且射流側面存在衝擊波，衝擊波發光更為明亮，然後在馬赫盤處，射流收斂聚集，為形成理想團簇的最佳區域。
本發明的使用原理為：在標準溫度下，通過進氣管輸送一定壓強的氣體，氣體原料穿過錐形噴嘴時，因為噴嘴孔徑極小，導致噴嘴兩頭存在較大的壓強差及溫差，促使氣體材料膨脹並絕熱冷卻，冷凝成中性團簇，然後採用高壓放電產生電子，使中性團簇粒子電離、放電、發光，形成氣體團簇離子，利用輝光放電原理可觀測到所產生的團簇粒子束，通過拍照處理監控束流及其準直狀態。本方法輝光放電產生的可視化效應可以提供噴射流的詳細結構信息，並且適用於較寬的氣壓(噴嘴內的)範圍。適用於各種氣體，對源氣體無類別要求；噴嘴孔徑極小，大的壓強差及溫差促使形成重團簇；輝光放電及拍照監控可以隨時反饋束流情況，便於及時調節各部件位置。
利用本發明提供的一種可視化氣體團簇離子射流方法及裝置，便於分析並調節其餘各部件位置，產生預期氣體團簇，實現無色的噴射流可視化檢測，以供後續分析。