靜態(tài)真空對超聲噴流氣體團(tuán)簇制備的實(shí)驗(yàn)研究

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1、物理學(xué)報(bào)ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)203601靜態(tài)真空對超聲噴流氣體團(tuán)簇制備的實(shí)驗(yàn)研究木王龍)3)郭爾夫1)3)韓紀(jì)鋒2)3)t劉建波)3)李永青)3)周榮)3)楊朝文)3)1)(1~1)JI大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610064)2)(i~)ll大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所，成都610064)3)(輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610064)(2014年5月11目收到；2014年6月9日收到修改稿)研究了靶室靜態(tài)真空對超聲噴流氣體團(tuán)簇產(chǎn)生和制備的影響．通過瑞利散射方法測量了不同靜態(tài)真

2、空度下超聲噴流氬團(tuán)簇的尺度和密度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在噴嘴出口附近團(tuán)簇尺度和密度受靜態(tài)真空度的影響較小；在距離噴嘴較遠(yuǎn)處，氬氣團(tuán)簇存在同氫氣團(tuán)簇類似的自限制效應(yīng)，驗(yàn)證了自限制效應(yīng)在團(tuán)簇制備、輸運(yùn)過程中的重要作用．該結(jié)果對于建造基于激光聚變原理的桌面中子源具有較大的參考意義，可據(jù)此簡化真空裝置以降低運(yùn)行和維護(hù)成本．關(guān)鍵詞：激光聚變，桌面中子源，超聲噴流團(tuán)簇，靜態(tài)真空度PACS：36．40．一C，52．40．Mj，52．50．Jm，47．40．KiDOI：10．7498／aps．63．203601真空環(huán)境對激光的損耗較小，另一方面真空環(huán)境

3、是1引言制備大尺度團(tuán)簇的必要條件．因此，激光聚變實(shí)驗(yàn)裝置需要設(shè)計(jì)專門的真空靶室系統(tǒng)以及復(fù)雜的機(jī)團(tuán)簇是由幾個(gè)乃至上萬個(gè)原子、分子或離子通械泵、分子泵等系統(tǒng)來提供真空．過物理或化學(xué)結(jié)合力組成的相對穩(wěn)定的微觀或亞傳統(tǒng)的關(guān)于團(tuán)簇形成的理論認(rèn)為，低溫高背壓微觀聚集體，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨所含的原子數(shù)目的氣體通過微型噴嘴進(jìn)入真空環(huán)境中，發(fā)生絕熱膨而變化，具有既不同于微觀粒子又有別于固體材料脹進(jìn)而降溫，在降溫過程中氣體原子或分子通過范的特殊性．1999年，Ditmire等【】用超短超強(qiáng)激光德瓦耳斯力結(jié)合在一起形成團(tuán)簇[4}5】．噴嘴內(nèi)外存束

4、照射大尺度氘團(tuán)簇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇可吸收高達(dá)在較大的氣壓差是產(chǎn)生團(tuán)簇的一個(gè)基本要求，但現(xiàn)95％的激光能量，引發(fā)氘氘聚變并觀測到聚變中有文獻(xiàn)大多在較高真空條件下[6-8】研究團(tuán)簇的空子．由于該裝置緊湊，團(tuán)簇源制備裝置簡單，具有間分布、大小、密度等[9-¨]，缺少靜態(tài)真空環(huán)境對制備桌面中子源的巨大潛力，且制備的桌面中子源團(tuán)簇制備影響的數(shù)據(jù)．本文圍繞這一目的，詳細(xì)研無放射性，因此，該方向迅速成為了一個(gè)研究的熱究了靶室靜態(tài)真空對團(tuán)簇源制備的影響．點(diǎn)課題．2011年，中國工程物理研究院激光聚變中心利用超短超強(qiáng)激光與CD4團(tuán)簇相互作用，測量

5、到了103的聚變中子產(chǎn)額[2】．2011年，WillingMe等[3】2實(shí)驗(yàn)裝置及方法在激光強(qiáng)度為10W／cm0的條件下，觀測到每發(fā)10的聚變中子．團(tuán)簇源裝置放置在一個(gè)真空靶室中，真空靶室激光聚變實(shí)驗(yàn)一般在真空靶室中開展，一方面通過一套機(jī)械泵和分子泵系統(tǒng)提供真空，靶室上方{國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：11275133)和國家磁約束聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)(批準(zhǔn)號2014GB1250041資助的課題十通訊作者．E—mail：hanjf@scu．edu．a(chǎn)n@2014中國物理學(xué)會(huì)ChinesePhysicalSocietytp：／／wu

6、lixb．hy．a(chǎn)c．c禮203601．1物理學(xué)報(bào)ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)203601接有真空規(guī)管用于實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的靜態(tài)真空度，系為該次噴氣的瑞利散射信號的幅度，方差作為瑞利統(tǒng)靜態(tài)真空可達(dá)到3X10_。。Pa．團(tuán)簇靶室系統(tǒng)以散射信號的誤差[12]．及尺度測量系統(tǒng)如圖1所示．實(shí)驗(yàn)測量了Ar團(tuán)簇在軸向距離2mm處的瑞真空靶室下方裝有一放氣閥直接同空氣相連，利散射信號在不同靜態(tài)真空度下的幅度，得到不放氣閥的閥門開口大小可精細(xì)調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)放氣同背壓下瑞利散射信號與靜態(tài)真空度的關(guān)系如閥的開口大小

7、可改變系統(tǒng)的靜態(tài)真空．當(dāng)要求靜圖2所示．態(tài)真空度在0．1Pa一3×10—4Pa區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)需同時(shí)打開分子泵和機(jī)械泵，通過精細(xì)調(diào)節(jié)放氣閥的開口來調(diào)節(jié)真空度；當(dāng)要求靜態(tài)真空度在0．1Pa一9．9X10Pa之間時(shí)，關(guān)閉分子泵系統(tǒng)，只打開機(jī)械泵系統(tǒng)，同樣通過調(diào)節(jié)放氣閥開口來調(diào)節(jié)．基于此原理，可產(chǎn)生從3X10_。。一9．9X10Pa之間的靜態(tài)真空，用于研究靜態(tài)真空度對團(tuán)簇制備的影響．團(tuán)簇的產(chǎn)生基于超聲噴流原理．鋼瓶中的氣體通過嘴噴高速噴入真空靶室，在膨脹降溫過程中產(chǎn)生團(tuán)簇．此實(shí)驗(yàn)中選擇的噴嘴喉口直徑為0．3mm，噴嘴的打開通過Park

8、er公司的$99系列電磁閥及驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)噴氣持續(xù)時(shí)間從0．2ms到數(shù)秒準(zhǔn)連分子泵／機(jī)械泵續(xù)可調(diào)．圖1瑞利散射診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖團(tuán)簇的測量基于瑞利散射原理．瑞利散射診斷光源采用準(zhǔn)連續(xù)脈沖激光器，激光器輸出波長=532nm，脈沖頻率從1—10kHz可調(diào)，脈沖寬罡度小于20ns．本次實(shí)驗(yàn)選定激光