一种可视化气体团簇离子射流的方法及装置与流程

本发明涉及一种可视化气体团簇离子射流的方法及装置，属于气体团簇离子束领域。

背景技术：

离子注入技术是一门材料表面改性技术，从20世纪60年代至今在国际上已得到蓬勃发展并应用广泛。基本原理是：用一定能量、一定剂量的离子束轰击靶材，由于靶材中的原子或分子会与离子束会发生一系列物理化学反应，导致入射离子能量损失，离子速度在固体材料的抵抗下慢慢降低，最终停留在靶材中。因其会改变材料表面成分、结构，进而优化材料表面性能，甚至获得某些新的优异性能，已经在材料表面改性领域取得卓越成绩，尤其是半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等表面改性上产生了可观的经济效应、社会效应。

但在离子注入过程中，当单原子离子沿着晶体的晶向注入时，会因为与晶格原子发生较少的碰撞而入射到很深的位置，产生拖尾现象，导致结深加大。为满足超浅表面的改性要求，在降低注入离子能量、改变入射倾斜角的同时，使用多原子离子也成为切实可行的方法，因此团簇离子束技术得到重视。

气体团簇离子束设备可以产生原子数达到数千甚至上万的多原子离子，但整台设备精密复杂，需要各个部件的完美配合才能得到预期结果。高压喷嘴就是其重要组成部件之一，能否形成多原子团簇高压喷嘴起着关键作用。气流经喷嘴喷射出后在低压气氛(0.1–1pa)中发生膨胀，形成具有特殊形状的射流，而气体团簇主要在距离喷嘴一定范围的位置处形成。所以，确定气体喷射流的几何形状及确认分束器的位置对团簇的形成具有重要意义。模拟仿真表明，分束器尖端的最佳位置是射流中的马赫盘附近。此外，团簇经过马赫盘时会被冲击波迅速击毁，所以，明确喷射流的结构尤其马赫盘的位置极其重要，而喷射流又是无色的气态，以目前的设备难以直接观测。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种可视化气体团簇离子射流的方法及装置，便于分析并调节其余各部件位置，产生预期气体团簇，实现无色的喷射流可视化检测，以供后续分析。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种可视化气体团簇离子射流方法，包括以下步骤：

(1)高压进气管中的高压气体通过喷嘴，喷嘴内外的压强差和温度差使高压气体凝聚成团簇离子或颗粒，利用安装于喷嘴和高压进气管之间的脉冲阀以毫秒脉冲控制，形成脉冲式射流从喷嘴喷出；

(2)射流喷射至电极处，产生辉光放电现象，利用摄像装置实时拍摄射流从喷嘴喷出的准直状态以及喷射至电极处的放电状态。

所述喷嘴和电极之间施加电压300～800v。

所述喷嘴和电极之间的距离为10～15cm。

所述喷嘴和电极之间的电流为0.5～2ma。

所述射流喷射过程在真空腔室内进行，真空腔室的气压为0.1～1pa。

本发明同时提供了一种基于上述方法的可视化气体团簇离子射流装置，包括真空腔室及设置在其内部的高压进气管和电极，所述高压进气管的喷气口处安装有喷嘴，喷嘴和高压进气管之间设置有脉冲控制阀，所述喷嘴接地，电极和喷嘴之间设有用于施加300～800v电压的电路，真空腔室外设有用于拍摄喷嘴至电极之间气路的摄像装置。

所述喷嘴采用纯铝材料超声喷嘴，喷嘴形状为锥形，其锥口直径为0.1～0.2mm；其通过粗加工和微细加工制成，其中粗加工为采用pcb刀具进行切削加工，极限孔径达到0.21～0.3mm；微细加工为利用电火花数控打孔，极限孔径达到0.1～0.2mm。

电极和喷嘴之间用于施加电压的电路上设置有电流表。

所述真空腔室内设有用于承托高压进气管的固定架，所述固定架上设有两颗分别用于在竖直方向和水平方向调节高压进气管位置的螺钉。

所述固定架的尾部通过波纹管连接于真空腔室内部。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明一种可视化气体团簇离子射流方法能够适用于较宽的气压范围，对源气体无类别要求，适用于各种气体；

(2)本发明一种可视化气体团簇离子射流方法利用喷嘴将高压进气管中的源气体喷射出来，因为喷嘴孔径极小，导致喷嘴两边存在大的压强差和温度差，促使气体材料膨胀并绝热冷却，凝聚成团簇粒子或颗粒；

(3)本发明一种可视化气体团簇离子射流方法利用合理设置的喷嘴和电极之间的距离、电流、电压，高压放电产生电子，使中性团簇粒子电离、放电、发光，实现射流射至电极处时产生辉光放电，使气体射流可视化，其中电流设置在0.5～2ma，能够让辉光放电处于合适亮度，便于摄像装置拍摄；

(4)本发明可视化气体团簇离子射流装置为上述方法提供硬件基础，可在标准温度和一定气压下，采用气体原料，通过锥形喷嘴后，气体材料膨胀并绝热冷却，冷凝成中性团簇，然后在高电压作用下喷射流产生辉光放电，使得无色射流可视化；

(5)本发明可视化气体团簇离子射流装置中所有喷嘴孔径极小，能够产生大的压强差以及温差促使形成重团簇；

(6)本发明可视化气体团簇离子射流装置中的拍摄装置能够实时反映辉光放电现象，进而反馈喷射流情况，便于及时调节各部件位置。

附图说明

图1是本发明可视化气体团簇离子射流装置的结构示意图。

图2是中性团簇由于辉光放电形成的可见束流。

图中：1-波纹管，2-螺钉，3-高压进气管，4-固定架，5-脉冲控制阀，6-喷嘴，7-射流，8-电极，9-摄像装置，10-电流表，11-真空腔室，12-辉光放电下的气体射流，13-侧面冲击波，14-形成理想团簇的最佳区域，15-锥形马赫盘顶点。

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。

本发明提供了一种可视化气体团簇离子射流方法，包括以下步骤：

(1)高压进气管中的高压气体通过喷嘴，喷嘴内外的压强差和温度差使高压气体凝聚成团簇离子或颗粒，利用安装于喷嘴和高压进气管之间的脉冲阀以毫秒脉冲控制，形成脉冲式射流从喷嘴喷出；

(2)射流喷射至电极处，产生辉光放电现象，利用摄像装置实时拍摄射流从喷嘴喷出的准直状态以及喷射至电极处的放电状态。

所述喷嘴和电极之间施加电压300～800v。

所述喷嘴和电极之间的距离为10～15cm。

所述喷嘴和电极之间的电流为0.5～2ma。

所述射流喷射过程在真空腔室内进行，真空腔室的气压为0.1～1pa。

本发明同时提供了一种基于上述方法的可视化气体团簇离子射流装置，参照图1，包括真空腔室11及设置在其内部的高压进气管3和电极8，所述高压进气管的喷气口处安装有喷嘴6，喷嘴和高压进气管之间设置有脉冲控制阀5，所述喷嘴接地，电极和喷嘴之间设有用于施加300～800v电压的电路，真空腔室外设有用于拍摄喷嘴至电极之间射流7气路的摄像装置9。

一定气压下(1-10个大气压)气体原料(ar、co2、n2等)由高压进气管输送。脉冲阀置于高压气瓶与喷嘴之间，开关离合比例为5％～50％，频率1～20hz，以毫秒脉冲控制气流，实现脉冲式间歇供气，使最大气压达到1mpa，通过差分真空系统实现10⁷的压差比。

所述喷嘴6采用纯铝材料超声喷嘴，喷嘴形状为锥形，其锥口直径为0.1～0.2mm；其通过粗加工和微细加工制成，其中粗加工为采用pcb刀具进行切削加工，极限孔径达到0.21～0.3mm；微细加工为利用电火花数控打孔，极限孔径达到0.1～0.2mm。由于喷嘴孔径极小，导致喷嘴两边存在巨大的压强差和温度差，促使气体膨胀并绝热冷却，凝聚成团簇粒子或颗粒，形成团簇粒子束，经喷嘴喷出后形成7射流，包含单体(原子数等于1)和团簇(原子数大于1，甚至上千)。

电极和喷嘴之间用于施加电压的电路上设置有电流表10，可用于控制电极和喷嘴间电流设置为0.5～2ma。

所述真空腔室内设有用于承托高压进气管的固定架4，所述固定架上设有两颗分别用于在竖直方向和水平方向调节高压进气管位置的螺钉2，可用于更好地调节喷嘴位置。

所述固定架的尾部通过波纹管1连接于真空腔室内部，可方便固定架的移动。

参照图2为通过喷嘴后中性团簇由于辉光放电形成的可见束流，其中标示了喷嘴6出口、辉光放电下的气体射流12、侧面冲击波13、形成理想团簇的最佳区域14以及锥形马赫盘顶点15。在喷嘴出口处，喷射流呈发散的锥形，且射流侧面存在冲击波，冲击波发光更为明亮，然后在马赫盘处，射流收敛聚集，为形成理想团簇的最佳区域。

本发明的使用原理为：在标准温度下，通过进气管输送一定压强的气体，气体原料穿过锥形喷嘴时，因为喷嘴孔径极小，导致喷嘴两头存在较大的压强差及温差，促使气体材料膨胀并绝热冷却，冷凝成中性团簇，然后采用高压放电产生电子，使中性团簇粒子电离、放电、发光，形成气体团簇离子，利用辉光放电原理可观测到所产生的团簇粒子束，通过拍照处理监控束流及其准直状态。本方法辉光放电产生的可视化效应可以提供喷射流的详细结构信息，并且适用于较宽的气压(喷嘴内的)范围。适用于各种气体，对源气体无类别要求；喷嘴孔径极小，大的压强差及温差促使形成重团簇；辉光放电及拍照监控可以随时反馈束流情况，便于及时调节各部件位置。

利用本发明提供的一种可视化气体团簇离子射流方法及装置，便于分析并调节其余各部件位置，产生预期气体团簇，实现无色的喷射流可视化检测，以供后续分析。