高精度可控噴嘴氣池的製作方法

2023-05-25 05:03:06 3

高精度可控噴嘴氣池的製作方法
【專利摘要】一種高精度可控噴嘴氣池，構成包括：超音速氣閥、調整平臺，扁長橢圓噴口、前擋板、後擋板、前刀片、後刀片、緩存高壓氣瓶和噴嘴氣閥控制器，本發明能有效提供一種邊緣密度梯度陡峭變化而中間穩流的氣體通道。具有操作簡單、方便高效、高精度調節、氣體密度分布穩定、可控的優點。本發明可用於雷射等離子體相互作用領域，特別是雷射等離子尾波場加速電子機制中，可提供穩定、可調的氣體介質通道，可有效解決傳統毛細管、氣池等產生氣體通道時的不穩定、操作複雜、精度不夠、高電壓等缺點。
【專利說明】高精度可控噴嘴氣池

【技術領域】
[0001] 本發明涉及超短超強雷射等離子體相互作用和強場物理領域內所需的氣體通道 介質產生，特別是一種高精度可控噴嘴氣池，用於產生兩端密度陡峭變化而中間穩流氣體 通道。本發明採用雙刀片結構切割噴射氣流以及扁長橢圓噴嘴口，結合高精度六維移動平 臺、兩端小孔準直和同步控制，實現多種氣體混合或單一氣體的密度可控的氣體通道產生， 具有操作簡單、精度高、可控、穩定性好的優點。

【背景技術】
[0002] 隨著雷射尾波場加速產生高能電子束及雷射技術發展衍生的雷射等離子體相互 作用領域的快速發展，氣體通道介質作為相互作用的核心區域，需要新型的噴嘴氣池，使其 在密度分布和長度可調、流體噴射穩定，空間位置上實現高精度調節。
[0003] 雷射尾波場加速電子的方案有電離注入、碰撞注入、自導引、梯度注入等，以往所 採用的氣體通道，如放電毛細管、封閉的充氣波導、全開放式氣池等，需在給定的特殊氣體 密度下導引雷射產生自聚焦，產生電子束（具體參見M·S·Kim，etal·IEEETran·Plasma· Sci 2011. 39. 8:1638-1643 和 W.P.Leemans et al. Nature Phys. 2006. 418 (2) :696-699)。 但其毛細管內的氣壓一般在150t〇rr左右，而它所放置的真空環境要求達到l(T 5t〇rr，需備 有複雜的檢監測系統；放電時所需的電壓高達25kV，放電過程容易擊穿損壞毛細管，操作 複雜且有風險；需要經常更換，不能重複使用。全開放式氣池產生氣體通道易有不穩定性， 形成多絲造成雷射的擾動和強度衰減。特別在氣體通道邊沿的密度分布會有明顯抖動，在 級聯梯度注入時難以匹配注入級與加速級電子束的相位。2008年C.G.R Geddes等人利用 梯度注入方案獲得低能散的電子束，（參考C.G.R.Geddes et al.PRL. 2008,100. 215004)。 2010年，K. Schmid首次提出產生穩定、重複使用的新型注入機制，利用在超音速噴嘴氣池 中插入單一不可調的刀片獲得下降沿陡峭的梯度變化，實現梯度注入下的更優電子束產生 (參見 K. Schmid, et al. Phys. Rev. STAB. 2010, 13. 091301)。
[0004] 以往的方案在一定程度上提供所需的氣體通道，但都只能提供單級的密度梯度變 化，邊緣有一定的抖動性和中間密度分布具有不穩定性和擾動，並不能滿足級聯時連續的 密度變化轉換；調節精度誤差較大，難以實現精確控制；實驗室要獲得不同長度氣體通道 的產生，需要更換和固定，要重新定標；而且採用長方形或簡單圓形噴嘴，在邊緣上不能解 決抖動性。在雷射等離子相互作用時，要求氣體通道的梯度變化達到Λη?l〇 19cm3,氣體 通道在cm內保持較好的穩定性等，因此需要一種高精度可控的噴嘴氣池。目前大部分的噴 嘴氣池的結構較簡單，產生的氣體通道長度固定等，有一定的缺陷。


【發明內容】

[0005] 為解決傳統產生氣體通道時的缺陷，本發明提供一種高精度可控噴嘴氣池，該高 精度可控噴嘴氣池能有效提供一種邊緣密度梯度陡峭變化而中間穩流的氣體通道。在雷射 等離子體相互作用產生相對論電子束所採用的梯度注入、自注入等方案中，可精確調節噴 嘴氣池的空間位置；雷射信號與定標信號的同步控制，實現精確開啟，並可級聯使用，產生 單一或多種氣體混合的不同密度分布的氣體通道。
[0006] 本發明的具體技術解決方案如下：
[0007] -種高精度可控噴嘴氣池，特點在於其構成包括：一超音速氣閥固定在具有前後 左右高低移動和360度旋轉的調整平臺上，所述的超音速氣閥的上端的外螺紋與一扁長橢 圓噴口的內螺紋連結，所述的扁長橢圓噴口的周邊具有兩個螺孔，供兩個平頭的內六角螺 絲旋入固定；在所述的扁長橢圓噴口的兩邊分別設有堅直向上的前擋板和後擋板；在所述 的前擋板上固定一前刀片，在所述的後擋板上固定一後刀片，所述的前刀片和後刀片的刀 口與所述的扁長橢圓噴口的水平方向成一定的角度；在所述的前擋板和後擋板的正上方分 別設有同一水平線上的前小孔和後小孔；所述的超音速氣閥的一側通過管道與緩存高壓 氣瓶相連，所述的超音速氣閥的控制端與噴嘴氣閥控制器相連；所述的噴嘴氣閥控制器根 據所述的超短超強雷射束髮射時的雷射產生信號a控制所述的超音速氣閥的開啟，保障噴 氣與雷射束通過噴嘴的時間同步，當超短超強雷射束與經所述的扁長橢圓噴口噴射和前刀 片、後刀片切割所產生的氣體通道相互作用時，所述的超短超強雷射束依次經過前小孔和 後小孔。
[0008] 所述的前刀片和後刀片延伸噴嘴口上方水平方向的長度可調節，以改變氣體通道 的長度。
[0009] 所述的扁長橢圓噴口的結構為底部埠圓形漸變為頂端扁長橢圓形，以提高噴氣 的穩定性。
[0010] 所述的前小孔和後小孔的直徑為1mm。
[0011] 所述的緩存高壓氣瓶的作用是讓單一氣體或多種氣體進行均勻混合，控制內部的 壓強獲得不同密度、單一或一定百分比混合的氣體。
[0012] 所述的六維移動調整平臺細調精度達到0. lum，粗調精度達到lOum，其作用是電 控調節噴嘴氣池的空間位置和合適的角度以便雷射精確通過氣體通道。
[0013] 本發明有如下幾個特點和效果：
[0014] 1、有效克服了以往噴嘴氣池的不穩定、使用壽命短、功能特性單一等缺點，具有操 作簡單、方便高效、高精度調節、氣體密度分布穩定、可控的優點。
[0015] 2、採用雙刀片在小角度切割氣體，在um量級長度內實現氣體密度Λη?l〇18cm 3 量級的梯度變換，刀片固定位置的不同，還可調節氣體通道的長度。
[0016] 3、扁長噴嘴口的特殊結構設計，噴射氣體時具有良好的穩定性和重複性。
[0017] 4、直接在擋板兩端挖直徑為1mm的小孔，就能實現雷射高度和平行方向的準直， 大大節約了成本，簡化操作。
[0018] 5、具有1?精度的空間位置調整能力，並實現同步控制，能精確開啟氣閥，大大提1? 噴嘴氣池的工作效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明高精度可控噴嘴氣池的結構示意圖。
[0020] 圖2為噴嘴氣池噴嘴口處前後刀片切割氣體的示意圖。
[0021] 圖3為噴嘴氣池本體上端不同高度下的壓強與馬赫數的關係曲線。
[0022] 圖4為噴嘴氣池本體邊沿處馬赫數與rv^密度比值的關係曲線。
[0023] 圖5為利用本發明產生的同一高度氣體通道密度分布圖。
[0024] 圖6為利用本發明產生級聯氣體通道的實際(XD成像。

【具體實施方式】
[0025] 下面結合實施例和附圖對本發明做進一步的說明，但不應以此限制本發明的保護 範圍。
[0026] 先請參閱圖1，圖1為本發明高精度可控噴嘴氣池的結構示意圖。由圖可見，本發 明1?精度可控噴嘴氣池的結構在於：一超首速氣閥11固定在具有如後左右1?低和360度旋 轉的移動調整平臺14上，所述的超音速氣閥11的上端的外螺紋與一扁長橢圓噴口 8的內 螺紋連結，所述的扁長橢圓噴口 8的周邊具有兩個螺孔，供兩個平頭的內六角螺絲9、10旋 入固定；在所述的扁長橢圓噴口 8的兩邊分別設有堅直向上的前擋板4和後擋板5 ;在所述 的ill擋板4上固定一如刀片6,在所述的後擋板5上固定一後刀片7,所述的如刀片6和後 刀片7的刀口與所述的扁長橢圓噴口 8的水平方向成一定的角度；在所述的前擋板4和後 擋板5的正上方分別設有同一水平線上前小孔2和後小孔3 ;所述的超音速氣閥11的一側 通過管道與緩存高壓氣瓶12相連，所述的超音速氣閥11的控制端與噴嘴氣閥控制器13相 連；所述的噴嘴氣閥控制器13根據所述的超短超強雷射束1發射時的雷射產生信號a控制 所述的超音速氣閥11的開啟，保障噴氣與雷射束1通過噴嘴的時間同步，當超短超強雷射 束1與經所述的扁長橢圓噴口 8噴射和前刀片6、後刀片7切割所產生的氣體通道相互作用 時，所述的超短超強雷射束1依次經過前小孔2和後小孔3。
[0027] 超音速氣閥11的上端出口處為外螺紋轉接口，扁長橢圓噴口 8為內螺紋管，兩者 中間並加入橡皮圈提高真空度；超音速氣閥11的一側通過管道與緩存緩存高壓氣瓶12相 連，另一側與噴嘴氣閥控制器13相連；並將整個噴嘴氣池本體固定於所述的移動調整平臺 14上，先粗調再細調的原則調節噴嘴氣池的合適空間位置，並旋轉噴嘴氣池到適合的角度。 圖2給出位於扁長橢圓噴口 8的兩側上方的前後刀片切割氣體示意圖，在d、f處的氣體密 度分布出現明顯的變化。
[0028] 本發明具有下列特點以及具體技術解決方案：
[0029] 1、前刀片6和後刀片7處於雷射所在的高度和橢圓噴射口所在高度之間，所述的 扁長橢圓噴口 8的周邊具有兩個螺孔，供兩個平頭的內六角螺絲9、10旋入固定。前後刀 片的刀口的方向與超短超強雷射束1成一定的小角度，可利用鑷子等工具進行調節。在前 後擋板上分別挖1mm直徑的前小孔2和後小孔3,利用兩小孔的準直，給出雷射高度和水 平方向上的基準；所述的超音速氣閥11的上端的外螺紋與一扁長橢圓噴口 8的內螺紋鏈 接，扁長橢圓噴口 8的底部為圓形並漸變成埠扁長橢圓形；所述的超音速氣閥11的一側 通過管道與緩存緩存高壓氣瓶12相連，另一側與噴嘴氣閥控制器13相連；噴射前，可打 開不同氣體氣瓶通入中間緩存緩存高壓氣瓶12中，緩存一定百分比混合的氣體，使其達到 均勻分布，調節合適的壓強；中間緩存緩存高壓氣瓶12的容積為2L ;噴嘴氣閥壓強為2? 10X105Pa，為超音速噴嘴。
[0030] 2、將噴嘴氣池本體固定於所述的調整平臺14上，該調整平臺由高精密的粗（細） 前後平移臺、粗（細）左右平移臺、高低平移架和360度可旋轉的底座依此搭建構成，可 前後、左右、高低調節空間位置及360度的旋轉調節；細調精度達到0. lum，粗調精度達到 10um ；
[0031] 3、噴嘴氣池本體水平方向的準直，要讓雷射束通過前小孔2、後小孔3,才能保證 雷射平行於噴口。實驗時，先利用麥可幹涉光路對氣體通道成像，利用CCD記錄氣體通道 整體的密度分布圖樣，結合實際需求，調節所述的移動調整平臺14其具有合適位置；
[0032] 4、為提高噴嘴氣池的效率，氣閥開啟需要跟雷射通過時達到同步，需要雷射產生 信號和定標信號的同步。兩者可通過脈衝延時發生器c實現同步，並給出觸發信號到噴嘴 氣閥控制器13中，並設定合適的噴嘴噴射頻率和開啟的時間。
[0033] 實驗時，先用弱的參考雷射通過氣體通道，開啟超音速氣閥初步產生氣體通道，利 用幹涉光路對其成像，調節所述的移動調整平臺使噴嘴氣池本體處於最優的空間位置，並 根據實驗條件設定合適的噴嘴噴射頻率和開啟持續時間。
[0034] 輸入雷射產生信號a和定標信號b到脈衝延遲器c，使兩者達到同步並輸出觸發信 號，那麼在雷射通過氣體通道時，在同步觸發信號作用下就能通過噴嘴氣閥控制器13進行 精確開啟和斷開。最後確保調試都到位後，增大雷射功率並開啟超音速氣閥，讓超短超強激 光與產生的氣體通道相互作用。
[0035] 本發明所依據的原理是流體的壓縮性和刀片切割流體引起噴嘴氣池噴射的流體 在流場中相對密度的變化。噴嘴氣池在不同壓力下的馬赫數變換（流體的流動速度u和 聲音在流體內傳播的速度u _之比成為馬赫數），會引起的氣體密度分布變化，當氣體從噴 嘴中以流速u向上流動時，壓力以聲速向上傳播的速度為u + up從而馬赫數超過1，形成 超音速噴射氣體，如圖2所示。
[0036] 如圖3所不，所噴射的氣體尚扁長橢圓噴嘴口 8的距尚增大，壓強減小，對應的馬 赫數和氣體密度都會變化。噴嘴氣池上端的不同高度下的壓強與馬赫數的關係為：
[0037]

【權利要求】
1. 一種高精度可控噴嘴氣池，特徵在於其構成包括：一超音速氣閥（11)固定在具有前 後左右高低移動和360度旋轉的調整平臺（14)上，所述的超音速氣閥（11)的上端的外螺 紋與一扁長橢圓噴口（8)的內螺紋連結，所述的扁長橢圓噴口（8)的周邊具有兩個螺孔，供 兩個平頭的內六角螺絲（9、10)旋入固定；在所述的扁長橢圓噴口（8)的兩邊分別設有堅直 向上的前擋板（4)和後擋板（5);在所述的前擋板（4)上固定一前刀片（6)，在所述的後擋 板（5)上固定一後刀片（7)，所述的前刀片（6)和後刀片（7)的刀口與所述的扁長橢圓噴口 (8)的水平方向成一定的角度；在所述的前擋板（4)和後擋板（5)的正上方分別設有同一 水平線上的前小孔（2)和後小孔（3);所述的超音速氣閥（11)的一側通過管道與緩存高壓 氣瓶（12)相連；所述的超音速氣閥（11)的控制端與噴嘴氣閥控制器（13)相連；所述的噴 嘴氣閥控制器（13)根據所述的超短超強雷射束（1)發射時的雷射產生信號a控制所述的 超音速氣閥（11)的開啟，保障噴氣與雷射束（1)通過噴嘴的時間同步，當超短超強雷射束 (1)與經所述的扁長橢圓噴口（8)噴射和前刀片（6)、後刀片（7)切割所產生的氣體通道相 互作用時，所述的超短超強雷射束（1)依次經過前小孔（2)和後小孔（3)。
2. 根據權利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特徵在於所述的前刀片（6)和後刀 片（7)延伸噴嘴口上方水平方向的長度可調節，以改變氣體通道的長度。
3. 根據權利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特徵在於所述的扁長橢圓噴口（8) 的結構為底部埠圓形漸變為頂端扁長橢圓形，以提高噴氣的穩定性。
4. 根據權利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特徵在於所述的前小孔（2)和後小 孔⑶的直徑為1mm。
5. 根據權利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特徵在於所述的緩存高壓氣瓶（12) 的作用是讓單一氣體或多種氣體進行均勻混合，控制內部的壓強獲得不同密度、單一或一 定百分比混合的氣體。
6. 根據權利要求1至5任一項所述的高精度可控噴嘴氣池，其特徵在於所述的調整平 臺（14)細調精度達到0· lum，粗調精度達到lOum，其作用是電控調節噴嘴氣池的空間位置 和合適的角度以便雷射精確通過氣體通道。
【文檔編號】H05H7/00GK104159390SQ201410422505
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】餘昌海, 王文濤, 齊榮, 李文濤, 張志鈞, 田野, 王成, 劉建勝, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所