高精度可控噴嘴氣池的制作方法
【專利摘要】一種高精度可控噴嘴氣池，構(gòu)成包括：超音速氣閥、調(diào)整平臺，扁長橢圓噴口、前擋板、后擋板、前刀片、后刀片、緩存高壓氣瓶和噴嘴氣閥控制器，本發(fā)明能有效提供一種邊緣密度梯度陡峭變化而中間穩(wěn)流的氣體通道。具有操作簡單、方便高效、高精度調(diào)節(jié)、氣體密度分布穩(wěn)定、可控的優(yōu)點。本發(fā)明可用于激光等離子體相互作用領(lǐng)域，特別是激光等離子尾波場加速電子機制中，可提供穩(wěn)定、可調(diào)的氣體介質(zhì)通道，可有效解決傳統(tǒng)毛細管、氣池等產(chǎn)生氣體通道時的不穩(wěn)定、操作復(fù)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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超短超強激光等離子體相互作用和強場物理領(lǐng)域內(nèi)所需的氣體通道 介質(zhì)產(chǎn)生，特別是一種高精度可控噴嘴氣池，用于產(chǎn)生兩端密度陡峭變化而中間穩(wěn)流氣體 通道。本發(fā)明采用雙刀片結(jié)構(gòu)切割噴射氣流以及扁長橢圓噴嘴口，結(jié)合高精度六維移動平 臺、兩端小孔準直和同步控制，實現(xiàn)多種氣體混合或單一氣體的密度可控的氣體通道產(chǎn)生， 具有操作簡單、精度高、可控、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光尾波場加速產(chǎn)生高能電子束及激光技術(shù)發(fā)展衍生的激光等離子體相互 作用領(lǐng)域的快速發(fā)展，氣體通道介質(zhì)作為相互作用的核心區(qū)域，需要新型的噴嘴氣池，使其 在密度分布和長度可調(diào)、流體噴射穩(wěn)定，空間位置上實現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)。
[0003] 激光尾波場加速電子的方案有電離注入、碰撞注入、自導(dǎo)引、梯度注入等，以往所 采用的氣體通道，如放電毛細管、封閉的充氣波導(dǎo)、全開放式氣池等，需在給定的特殊氣體 密度下導(dǎo)引激光產(chǎn)生自聚焦，產(chǎn)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(nèi)的氣壓一般在150t〇rr左右，而它所放置的真空環(huán)境要求達到l(T 5t〇rr，需備 有復(fù)雜的檢監(jiān)測系統(tǒng)；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 復(fù)雜且有風險；需要經(jīng)常更換，不能重復(fù)使用。全開放式氣池產(chǎn)生氣體通道易有不穩(wěn)定性， 形成多絲造成激光的擾動和強度衰減。特別在氣體通道邊沿的密度分布會有明顯抖動，在 級聯(lián)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(chǎn)生穩(wěn)定、重復(fù)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(diào)的刀片獲得下降沿陡峭的梯度變化，實現(xiàn)梯度注入下的更優(yōu)電子束產(chǎn)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(wěn)定性和擾動，并不能滿足級聯(lián)時連續(xù)的 密度變化轉(zhuǎn)換；調(diào)節(jié)精度誤差較大，難以實現(xiàn)精確控制；實驗室要獲得不同長度氣體通道 的產(chǎn)生，需要更換和固定，要重新定標；而且采用長方形或簡單圓形噴嘴，在邊緣上不能解 決抖動性。在激光等離子相互作用時，要求氣體通道的梯度變化達到Λη?l〇 19cm3,氣體 通道在cm內(nèi)保持較好的穩(wěn)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(jié)構(gòu)較簡單，產(chǎn)生的氣體通道長度固定等，有一定的缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決傳統(tǒng)產(chǎn)生氣體通道時的缺陷，本發(fā)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(wěn)流的氣體通道。在激光 等離子體相互作用產(chǎn)生相對論電子束所采用的梯度注入、自注入等方案中，可精確調(diào)節(jié)噴 嘴氣池的空間位置；激光信號與定標信號的同步控制，實現(xiàn)精確開啟，并可級聯(lián)使用，產(chǎn)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(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種高精度可控噴嘴氣池，特點在于其構(gòu)成包括：一超音速氣閥固定在具有前后 左右高低移動和360度旋轉(zhuǎn)的調(diào)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(nèi)螺紋鏈接，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(nèi)六角螺 絲旋入固定；在所述的扁長橢圓噴口的兩邊分別設(shè)有堅直向上的前擋板和后擋板；在所述 的前擋板上固定一前刀片，在所述的后擋板上固定一后刀片，所述的前刀片和后刀片的刀 口與所述的扁長橢圓噴口的水平方向成一定的角度；在所述的前擋板和后擋板的正上方分 別設(shè)有同一水平線上的前小孔和后小孔；所述的超音速氣閥的一側(cè)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(jù)所述的超短超強激光束發(fā)射時的激光產(chǎn)生信號a控制所述的超音速氣閥的開啟，保障噴 氣與激光束通過噴嘴的時間同步，當超短超強激光束與經(jīng)所述的扁長橢圓噴口噴射和前刀 片、后刀片切割所產(chǎn)生的氣體通道相互作用時，所述的超短超強激光束依次經(jīng)過前小孔和 后小孔。
[0008] 所述的前刀片和后刀片延伸噴嘴口上方水平方向的長度可調(diào)節(jié)，以改變氣體通道 的長度。
[0009] 所述的扁長橢圓噴口的結(jié)構(gòu)為底部端口圓形漸變?yōu)轫敹吮忾L橢圓形，以提高噴氣 的穩(wěn)定性。
[0010] 所述的前小孔和后小孔的直徑為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(nèi)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(diào)整平臺細調(diào)精度達到0. lum，粗調(diào)精度達到lOum，其作用是電 控調(diào)節(jié)噴嘴氣池的空間位置和合適的角度以便激光精確通過氣體通道。
[0013] 本發(fā)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(wěn)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(diào)節(jié)、氣體密度分布穩(wěn)定、可控的優(yōu)點。
[0015] 2、采用雙刀片在小角度切割氣體，在um量級長度內(nèi)實現(xiàn)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(diào)節(jié)氣體通道的長度。
[0016] 3、扁長噴嘴口的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，噴射氣體時具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。
[0017] 4、直接在擋板兩端挖直徑為1mm的小孔，就能實現(xiàn)激光高度和平行方向的準直， 大大節(jié)約了成本，簡化操作。
[0018] 5、具有1?精度的空間位置調(diào)整能力，并實現(xiàn)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(fā)明高精度可控噴嘴氣池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2為噴嘴氣池噴嘴口處前后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(shù)的關(guān)系曲線。
[0022] 圖4為噴嘴氣池本體邊沿處馬赫數(shù)與rv^密度比值的關(guān)系曲線。
[0023] 圖5為利用本發(fā)明產(chǎn)生的同一高度氣體通道密度分布圖。
[0024] 圖6為利用本發(fā)明產(chǎn)生級聯(lián)氣體通道的實際(XD成像。

【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護 范圍。
[0026] 先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明高精度可控噴嘴氣池的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā) 明1?精度可控噴嘴氣池的結(jié)構(gòu)在于：一超首速氣閥11固定在具有如后左右1?低和360度旋 轉(zhuǎn)的移動調(diào)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(nèi) 螺紋鏈接，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(nèi)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(shè)有堅直向上的前擋板4和后擋板5 ;在所述 的ill擋板4上固定一如刀片6,在所述的后擋板5上固定一后刀片7,所述的如刀片6和后 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和后 擋板5的正上方分別設(shè)有同一水平線上前小孔2和后小孔3 ;所述的超音速氣閥11的一側(cè) 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(jù)所述的超短超強激光束1發(fā)射時的激光產(chǎn)生信號a控制 所述的超音速氣閥11的開啟，保障噴氣與激光束1通過噴嘴的時間同步，當超短超強激光 束1與經(jīng)所述的扁長橢圓噴口 8噴射和前刀片6、后刀片7切割所產(chǎn)生的氣體通道相互作用 時，所述的超短超強激光束1依次經(jīng)過前小孔2和后小孔3。
[0027] 超音速氣閥11的上端出口處為外螺紋轉(zhuǎn)接口，扁長橢圓噴口 8為內(nèi)螺紋管，兩者 中間并加入橡皮圈提高真空度；超音速氣閥11的一側(cè)通過管道與緩存緩存高壓氣瓶12相 連，另一側(cè)與噴嘴氣閥控制器13相連；并將整個噴嘴氣池本體固定于所述的移動調(diào)整平臺 14上，先粗調(diào)再細調(diào)的原則調(diào)節(jié)噴嘴氣池的合適空間位置，并旋轉(zhuǎn)噴嘴氣池到適合的角度。 圖2給出位于扁長橢圓噴口 8的兩側(cè)上方的前后刀片切割氣體示意圖，在d、f處的氣體密 度分布出現(xiàn)明顯的變化。
[0028] 本發(fā)明具有下列特點以及具體技術(shù)解決方案：
[0029] 1、前刀片6和后刀片7處于激光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(nèi)六角螺絲9、10旋入固定。前后刀 片的刀口的方向與超短超強激光束1成一定的小角度，可利用鑷子等工具進行調(diào)節(jié)。在前 后擋板上分別挖1mm直徑的前小孔2和后小孔3,利用兩小孔的準直，給出激光高度和水 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(nèi)螺紋鏈 接，扁長橢圓噴口 8的底部為圓形并漸變成端口扁長橢圓形；所述的超音速氣閥11的一側(cè) 通過管道與緩存緩存高壓氣瓶12相連，另一側(cè)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(diào)節(jié)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于所述的調(diào)整平臺14上，該調(diào)整平臺由高精密的粗（細） 前后平移臺、粗（細）左右平移臺、高低平移架和360度可旋轉(zhuǎn)的底座依此搭建構(gòu)成，可 前后、左右、高低調(diào)節(jié)空間位置及360度的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)；細調(diào)精度達到0. lum，粗調(diào)精度達到 10um ；
[0031] 3、噴嘴氣池本體水平方向的準直，要讓激光束通過前小孔2、后小孔3,才能保證 激光平行于噴口。實驗時，先利用邁克爾干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(jié)合實際需求，調(diào)節(jié)所述的移動調(diào)整平臺14其具有合適位置；
[0032] 4、為提高噴嘴氣池的效率，氣閥開啟需要跟激光通過時達到同步，需要激光產(chǎn)生 信號和定標信號的同步。兩者可通過脈沖延時發(fā)生器c實現(xiàn)同步，并給出觸發(fā)信號到噴嘴 氣閥控制器13中，并設(shè)定合適的噴嘴噴射頻率和開啟的時間。
[0033] 實驗時，先用弱的參考激光通過氣體通道，開啟超音速氣閥初步產(chǎn)生氣體通道，利 用干涉光路對其成像，調(diào)節(jié)所述的移動調(diào)整平臺使噴嘴氣池本體處于最優(yōu)的空間位置，并 根據(jù)實驗條件設(shè)定合適的噴嘴噴射頻率和開啟持續(xù)時間。
[0034] 輸入激光產(chǎn)生信號a和定標信號b到脈沖延遲器c，使兩者達到同步并輸出觸發(fā)信 號，那么在激光通過氣體通道時，在同步觸發(fā)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。最后確保調(diào)試都到位后，增大激光功率并開啟超音速氣閥，讓超短超強激 光與產(chǎn)生的氣體通道相互作用。
[0035] 本發(fā)明所依據(jù)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(shù)變換（流體的流動速度u和 聲音在流體內(nèi)傳播的速度u _之比成為馬赫數(shù)），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(shù)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(yīng)的馬 赫數(shù)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(shù)的關(guān)系為：
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種高精度可控噴嘴氣池，特征在于其構(gòu)成包括：一超音速氣閥（11)固定在具有前 后左右高低移動和360度旋轉(zhuǎn)的調(diào)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(nèi)螺紋鏈接，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(nèi)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(shè)有堅直 向上的前擋板（4)和后擋板（5);在所述的前擋板（4)上固定一前刀片（6)，在所述的后擋 板（5)上固定一后刀片（7)，所述的前刀片（6)和后刀片（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)和后擋板（5)的正上方分別設(shè)有同一 水平線上的前小孔（2)和后小孔（3);所述的超音速氣閥（11)的一側(cè)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(jù)所述的超短超強激光束（1)發(fā)射時的激光產(chǎn)生信號a控制所述的 超音速氣閥（11)的開啟，保障噴氣與激光束（1)通過噴嘴的時間同步，當超短超強激光束 (1)與經(jīng)所述的扁長橢圓噴口（8)噴射和前刀片（6)、后刀片（7)切割所產(chǎn)生的氣體通道相 互作用時，所述的超短超強激光束（1)依次經(jīng)過前小孔（2)和后小孔（3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特征在于所述的前刀片（6)和后刀 片（7)延伸噴嘴口上方水平方向的長度可調(diào)節(jié)，以改變氣體通道的長度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特征在于所述的扁長橢圓噴口（8) 的結(jié)構(gòu)為底部端口圓形漸變?yōu)轫敹吮忾L橢圓形，以提高噴氣的穩(wěn)定性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特征在于所述的前小孔（2)和后小 孔⑶的直徑為1mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度可控噴嘴氣池，其特征在于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(nèi)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(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的高精度可控噴嘴氣池，其特征在于所述的調(diào)整平 臺（14)細調(diào)精度達到0· lum，粗調(diào)精度達到lOum，其作用是電控調(diào)節(jié)噴嘴氣池的空間位置 和合適的角度以便激光精確通過氣體通道。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】余昌海, 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(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所