静态真空对超声喷流气体团簇制备的实验研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)203601静态真空对超声喷流气体团簇制备的实验研究木王龙)3)郭尔夫1)3)韩纪锋2)3)t刘建波)3)李永青)3)周荣)3)杨朝文)3)1)(1~1)JI大学物理科学与技术学院，成都610064)2)(i~)ll大学原子核科学技术研究所，成都610064)3)(辐射物理及技术教育部重点实验室，成都610064)(2014年5月11目收到；2014年6月9日收到修改稿)研究了靶室静态真空对超声喷流气体团簇产生和制备的影响．通过瑞利散射方法测量了不同静态真

2、空度下超声喷流氩团簇的尺度和密度参数，发现在喷嘴出口附近团簇尺度和密度受静态真空度的影响较小；在距离喷嘴较远处，氩气团簇存在同氢气团簇类似的自限制效应，验证了自限制效应在团簇制备、输运过程中的重要作用．该结果对于建造基于激光聚变原理的桌面中子源具有较大的参考意义，可据此简化真空装置以降低运行和维护成本．关键词：激光聚变，桌面中子源，超声喷流团簇，静态真空度PACS：36．40．一C，52．40．Mj，52．50．Jm，47．40．KiDOI：10．7498／aps．63．203601真空环境对激光的损耗较小，另一方面真空环境

3、是1引言制备大尺度团簇的必要条件．因此，激光聚变实验装置需要设计专门的真空靶室系统以及复杂的机团簇是由几个乃至上万个原子、分子或离子通械泵、分子泵等系统来提供真空．过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚传统的关于团簇形成的理论认为，低温高背压微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目的气体通过微型喷嘴进入真空环境中，发生绝热膨而变化，具有既不同于微观粒子又有别于固体材料胀进而降温，在降温过程中气体原子或分子通过范的特殊性．1999年，Ditmire等【】用超短超强激光德瓦耳斯力结合在一起形成团簇[4}5】．喷嘴内外存束

4、照射大尺度氘团簇，结果发现团簇可吸收高达在较大的气压差是产生团簇的一个基本要求，但现95％的激光能量，引发氘氘聚变并观测到聚变中有文献大多在较高真空条件下[6-8】研究团簇的空子．由于该装置紧凑，团簇源制备装置简单，具有间分布、大小、密度等[9-¨]，缺少静态真空环境对制备桌面中子源的巨大潜力，且制备的桌面中子源团簇制备影响的数据．本文围绕这一目的，详细研无放射性，因此，该方向迅速成为了一个研究的热究了靶室静态真空对团簇源制备的影响．点课题．2011年，中国工程物理研究院激光聚变中心利用超短超强激光与CD4团簇相互作用，测量

5、到了103的聚变中子产额[2】．2011年，WillingMe等[3】2实验装置及方法在激光强度为10W／cm0的条件下，观测到每发10的聚变中子．团簇源装置放置在一个真空靶室中，真空靶室激光聚变实验一般在真空靶室中开展，一方面通过一套机械泵和分子泵系统提供真空，靶室上方{国家自然科学基金(批准号：11275133)和国家磁约束聚变能发展研究专项(批准号2014GB1250041资助的课题十通讯作者．E—mail：hanjf@scu．edu．an@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietytp：／／wu

6、lixb．hy．ac．c礼203601．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)203601接有真空规管用于实时监测系统的静态真空度，系为该次喷气的瑞利散射信号的幅度，方差作为瑞利统静态真空可达到3X10_。。Pa．团簇靶室系统以散射信号的误差[12]．及尺度测量系统如图1所示．实验测量了Ar团簇在轴向距离2mm处的瑞真空靶室下方装有一放气阀直接同空气相连，利散射信号在不同静态真空度下的幅度，得到不放气阀的阀门开口大小可精细调节，通过调节放气同背压下瑞利散射信号与静态真空度的关系如阀的开口大小

7、可改变系统的静态真空．当要求静图2所示．态真空度在0．1Pa一3×10—4Pa区间时，系统需同时打开分子泵和机械泵，通过精细调节放气阀的开口来调节真空度；当要求静态真空度在0．1Pa一9．9X10Pa之间时，关闭分子泵系统，只打开机械泵系统，同样通过调节放气阀开口来调节．基于此原理，可产生从3X10_。。一9．9X10Pa之间的静态真空，用于研究静态真空度对团簇制备的影响．团簇的产生基于超声喷流原理．钢瓶中的气体通过嘴喷高速喷入真空靶室，在膨胀降温过程中产生团簇．此实验中选择的喷嘴喉口直径为0．3mm，喷嘴的打开通过Park

8、er公司的$99系列电磁阀及驱动器来实现喷气持续时间从0．2ms到数秒准连分子泵／机械泵续可调．图1瑞利散射诊断系统结构示意图团簇的测量基于瑞利散射原理．瑞利散射诊断光源采用准连续脉冲激光器，激光器输出波长=532nm，脉冲频率从1—10kHz可调，脉冲宽罡度小于20ns．本次实验选定激光