本發(fā)明涉及一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流的方法及裝置，屬于氣體團(tuán)簇離子束領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

離子注入技術(shù)是一門材料表面改性技術(shù)，從20世紀(jì)60年代至今在國際上已得到蓬勃發(fā)展并應(yīng)用廣泛?；驹硎牵河靡欢芰俊⒁欢▌┝康碾x子束轟擊靶材，由于靶材中的原子或分子會(huì)與離子束會(huì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)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(huì)改變材料表面成分、結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化材料表面性能，甚至獲得某些新的優(yōu)異性能，已經(jīng)在材料表面改性領(lǐng)域取得卓越成績，尤其是半導(dǎo)體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等表面改性上產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、社會(huì)效應(yīng)。

但在離子注入過程中，當(dāng)單原子離子沿著晶體的晶向注入時(shí)，會(huì)因?yàn)榕c晶格原子發(fā)生較少的碰撞而入射到很深的位置，產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)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?nèi)肷鋬A斜角的同時(shí)，使用多原子離子也成為切實(shí)可行的方法，因此團(tuán)簇離子束技術(shù)得到重視。

氣體團(tuán)簇離子束設(shè)備可以產(chǎn)生原子數(shù)達(dá)到數(shù)千甚至上萬的多原子離子，但整臺(tái)設(shè)備精密復(fù)雜，需要各個(gè)部件的完美配合才能得到預(yù)期結(jié)果。高壓噴嘴就是其重要組成部件之一，能否形成多原子團(tuán)簇高壓噴嘴起著關(guān)鍵作用。氣流經(jīng)噴嘴噴射出后在低壓氣氛(0.1–1pa)中發(fā)生膨脹，形成具有特殊形狀的射流，而氣體團(tuán)簇主要在距離噴嘴一定范圍的位置處形成。所以，確定氣體噴射流的幾何形狀及確認(rèn)分束器的位置對(duì)團(tuán)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(tuán)簇經(jīng)過馬赫盤時(shí)會(huì)被沖擊波迅速擊毀，所以，明確噴射流的結(jié)構(gòu)尤其馬赫盤的位置極其重要，而噴射流又是無色的氣態(tài)，以目前的設(shè)備難以直接觀測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流的方法及裝置，便于分析并調(diào)節(jié)其余各部件位置，產(chǎn)生預(yù)期氣體團(tuán)簇，實(shí)現(xiàn)無色的噴射流可視化檢測(cè)，以供后續(xù)分析。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流方法，包括以下步驟：

(1)高壓進(jìn)氣管中的高壓氣體通過噴嘴，噴嘴內(nèi)外的壓強(qiáng)差和溫度差使高壓氣體凝聚成團(tuán)簇離子或顆粒，利用安裝于噴嘴和高壓進(jìn)氣管之間的脈沖閥以毫秒脈沖控制，形成脈沖式射流從噴嘴噴出；

(2)射流噴射至電極處，產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，利用攝像裝置實(shí)時(shí)拍攝射流從噴嘴噴出的準(zhǔn)直狀態(tài)以及噴射至電極處的放電狀態(tài)。

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(nèi)進(jìn)行，真空腔室的氣壓為0.1～1pa。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種基于上述方法的可視化氣體團(tuán)簇離子射流裝置，包括真空腔室及設(shè)置在其內(nèi)部的高壓進(jìn)氣管和電極，所述高壓進(jìn)氣管的噴氣口處安裝有噴嘴，噴嘴和高壓進(jìn)氣管之間設(shè)置有脈沖控制閥，所述噴嘴接地，電極和噴嘴之間設(shè)有用于施加300～800v電壓的電路，真空腔室外設(shè)有用于拍攝噴嘴至電極之間氣路的攝像裝置。

所述噴嘴采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(xì)加工制成，其中粗加工為采用pcb刀具進(jìn)行切削加工，極限孔徑達(dá)到0.21～0.3mm；微細(xì)加工為利用電火花數(shù)控打孔，極限孔徑達(dá)到0.1～0.2mm。

電極和噴嘴之間用于施加電壓的電路上設(shè)置有電流表。

所述真空腔室內(nèi)設(shè)有用于承托高壓進(jìn)氣管的固定架，所述固定架上設(shè)有兩顆分別用于在豎直方向和水平方向調(diào)節(jié)高壓進(jìn)氣管位置的螺釘。

所述固定架的尾部通過波紋管連接于真空腔室內(nèi)部。

本發(fā)明基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：

(1)本發(fā)明一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流方法能夠適用于較寬的氣壓范圍，對(duì)源氣體無類別要求，適用于各種氣體；

(2)本發(fā)明一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流方法利用噴嘴將高壓進(jìn)氣管中的源氣體噴射出來，因?yàn)閲娮炜讖綐O小，導(dǎo)致噴嘴兩邊存在大的壓強(qiáng)差和溫度差，促使氣體材料膨脹并絕熱冷卻，凝聚成團(tuán)簇粒子或顆粒；

(3)本發(fā)明一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流方法利用合理設(shè)置的噴嘴和電極之間的距離、電流、電壓，高壓放電產(chǎn)生電子，使中性團(tuán)簇粒子電離、放電、發(fā)光，實(shí)現(xiàn)射流射至電極處時(shí)產(chǎn)生輝光放電，使氣體射流可視化，其中電流設(shè)置在0.5～2ma，能夠讓輝光放電處于合適亮度，便于攝像裝置拍攝；

(4)本發(fā)明可視化氣體團(tuán)簇離子射流裝置為上述方法提供硬件基礎(chǔ)，可在標(biāo)準(zhǔn)溫度和一定氣壓下，采用氣體原料，通過錐形噴嘴后，氣體材料膨脹并絕熱冷卻，冷凝成中性團(tuán)簇，然后在高電壓作用下噴射流產(chǎn)生輝光放電，使得無色射流可視化；

(5)本發(fā)明可視化氣體團(tuán)簇離子射流裝置中所有噴嘴孔徑極小，能夠產(chǎn)生大的壓強(qiáng)差以及溫差促使形成重團(tuán)簇；

(6)本發(fā)明可視化氣體團(tuán)簇離子射流裝置中的拍攝裝置能夠?qū)崟r(shí)反映輝光放電現(xiàn)象，進(jìn)而反饋噴射流情況，便于及時(shí)調(diào)節(jié)各部件位置。

附圖說明

圖1是本發(fā)明可視化氣體團(tuán)簇離子射流裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是中性團(tuán)簇由于輝光放電形成的可見束流。

圖中：1-波紋管，2-螺釘，3-高壓進(jìn)氣管，4-固定架，5-脈沖控制閥，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(cè)面沖擊波，14-形成理想團(tuán)簇的最佳區(qū)域，15-錐形馬赫盤頂點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提供了一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流方法，包括以下步驟：

(1)高壓進(jìn)氣管中的高壓氣體通過噴嘴，噴嘴內(nèi)外的壓強(qiáng)差和溫度差使高壓氣體凝聚成團(tuán)簇離子或顆粒，利用安裝于噴嘴和高壓進(jìn)氣管之間的脈沖閥以毫秒脈沖控制，形成脈沖式射流從噴嘴噴出；

(2)射流噴射至電極處，產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，利用攝像裝置實(shí)時(shí)拍攝射流從噴嘴噴出的準(zhǔn)直狀態(tài)以及噴射至電極處的放電狀態(tài)。

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(nèi)進(jìn)行，真空腔室的氣壓為0.1～1pa。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種基于上述方法的可視化氣體團(tuán)簇離子射流裝置，參照?qǐng)D1，包括真空腔室11及設(shè)置在其內(nèi)部的高壓進(jìn)氣管3和電極8，所述高壓進(jìn)氣管的噴氣口處安裝有噴嘴6，噴嘴和高壓進(jìn)氣管之間設(shè)置有脈沖控制閥5，所述噴嘴接地，電極和噴嘴之間設(shè)有用于施加300～800v電壓的電路，真空腔室外設(shè)有用于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(gè)大氣壓)氣體原料(ar、co2、n2等)由高壓進(jìn)氣管輸送。脈沖閥置于高壓氣瓶與噴嘴之間，開關(guān)離合比例為5％～50％，頻率1～20hz，以毫秒脈沖控制氣流，實(shí)現(xiàn)脈沖式間歇供氣，使最大氣壓達(dá)到1mpa，通過差分真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)10⁷的壓差比。

所述噴嘴6采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(xì)加工制成，其中粗加工為采用pcb刀具進(jìn)行切削加工，極限孔徑達(dá)到0.21～0.3mm；微細(xì)加工為利用電火花數(shù)控打孔，極限孔徑達(dá)到0.1～0.2mm。由于噴嘴孔徑極小，導(dǎo)致噴嘴兩邊存在巨大的壓強(qiáng)差和溫度差，促使氣體膨脹并絕熱冷卻，凝聚成團(tuán)簇粒子或顆粒，形成團(tuán)簇粒子束，經(jīng)噴嘴噴出后形成7射流，包含單體(原子數(shù)等于1)和團(tuán)簇(原子數(shù)大于1，甚至上千)。

電極和噴嘴之間用于施加電壓的電路上設(shè)置有電流表10，可用于控制電極和噴嘴間電流設(shè)置為0.5～2ma。

所述真空腔室內(nèi)設(shè)有用于承托高壓進(jìn)氣管的固定架4，所述固定架上設(shè)有兩顆分別用于在豎直方向和水平方向調(diào)節(jié)高壓進(jìn)氣管位置的螺釘2，可用于更好地調(diào)節(jié)噴嘴位置。

所述固定架的尾部通過波紋管1連接于真空腔室內(nèi)部，可方便固定架的移動(dòng)。

參照?qǐng)D2為通過噴嘴后中性團(tuán)簇由于輝光放電形成的可見束流，其中標(biāo)示了噴嘴6出口、輝光放電下的氣體射流12、側(cè)面沖擊波13、形成理想團(tuán)簇的最佳區(qū)域14以及錐形馬赫盤頂點(diǎn)15。在噴嘴出口處，噴射流呈發(fā)散的錐形，且射流側(cè)面存在沖擊波，沖擊波發(fā)光更為明亮，然后在馬赫盤處，射流收斂聚集，為形成理想團(tuán)簇的最佳區(qū)域。

本發(fā)明的使用原理為：在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，通過進(jìn)氣管輸送一定壓強(qiáng)的氣體，氣體原料穿過錐形噴嘴時(shí)，因?yàn)閲娮炜讖綐O小，導(dǎo)致噴嘴兩頭存在較大的壓強(qiáng)差及溫差，促使氣體材料膨脹并絕熱冷卻，冷凝成中性團(tuán)簇，然后采用高壓放電產(chǎn)生電子，使中性團(tuán)簇粒子電離、放電、發(fā)光，形成氣體團(tuán)簇離子，利用輝光放電原理可觀測(cè)到所產(chǎn)生的團(tuán)簇粒子束，通過拍照處理監(jiān)控束流及其準(zhǔn)直狀態(tài)。本方法輝光放電產(chǎn)生的可視化效應(yīng)可以提供噴射流的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息，并且適用于較寬的氣壓(噴嘴內(nèi)的)范圍。適用于各種氣體，對(duì)源氣體無類別要求；噴嘴孔徑極小，大的壓強(qiáng)差及溫差促使形成重團(tuán)簇；輝光放電及拍照監(jiān)控可以隨時(shí)反饋束流情況，便于及時(shí)調(diào)節(jié)各部件位置。

利用本發(fā)明提供的一種可視化氣體團(tuán)簇離子射流方法及裝置，便于分析并調(diào)節(jié)其余各部件位置，產(chǎn)生預(yù)期氣體團(tuán)簇，實(shí)現(xiàn)無色的噴射流可視化檢測(cè)，以供后續(xù)分析。