周茂蕾 劉東 曲國(guó)峰 陳桎遠(yuǎn) 李敏 王藝舟 徐子虛 韓紀(jì)鋒

(輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所,成都 610064)

1 引 言

超聲分子束是由高壓氣體經(jīng)一個(gè)小直徑的噴嘴進(jìn)入真空室內(nèi)形成的一種強(qiáng)度大、速度分布窄、定向性好的高速中性冷束流[1].這些特性使得超聲分子束被廣泛應(yīng)用于不同的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,比如超音速分離技術(shù)[2]、分子束表面散射技術(shù)[3]、超聲分子束激光光譜技術(shù)[4]和磁約束聚變堆超聲分子束加料技術(shù)[5-7]等.實(shí)驗(yàn)測(cè)量超聲分子束的速度有助于探索團(tuán)簇形成機(jī)理和束流冷凝比例等復(fù)雜問題[8,9].此外,實(shí)驗(yàn)研究[10,11]表明,聚變堆的加料效率和加料深度與超聲分子束的密度和速度關(guān)系密切.Wang等[12-14]基于trans-neut模擬預(yù)測(cè)了超聲分子束注入托卡馬克裝置的最佳速度和密度,同時(shí)發(fā)現(xiàn)超聲分子束的注入深度會(huì)隨著分子束速度的增大而顯著提高.因此,實(shí)驗(yàn)測(cè)量超聲分子束的速度對(duì)于聚變堆加料也具有十分重要的意義.

此外,同其他復(fù)雜分子動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)問題一樣,目前還缺少嚴(yán)格的理論來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定結(jié)構(gòu)閥門條件下的束流膨脹過程,并且關(guān)于超聲分子束速度[15-18]和密度[19,20]的模擬研究(直接數(shù)值模擬DNS,大渦模擬LES等)[21-24]大多集中在粗糙真空度(1—103Pa)環(huán)境下產(chǎn)生的超聲束流以及超聲分子束在近域(x/d< 100)的寂靜區(qū)、馬赫盤區(qū)以及中間域的束流特性分布,其中x代表出射距離,d代表噴嘴直徑,較少涉及分子束在長(zhǎng)距離下遠(yuǎn)域(x/d＞ 300)的束流特性的空間演化.

另外,理想氣體超聲分子束的熱力學(xué)理論研究表明,分子束平均速度僅與氣體分子量和源溫度[25]有關(guān),應(yīng)同源壓強(qiáng)無關(guān).但許多實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),除了溫度效應(yīng)外,源壓強(qiáng)[8,26,27]也會(huì)影響分子束的終端速度.其中,Reisinger等[27]通過飛行時(shí)間質(zhì)譜法在高真空環(huán)境下測(cè)量了源壓強(qiáng)對(duì)超聲分子束速度的影響,結(jié)果表明對(duì)于溫度在310 K的超聲D2束,當(dāng)源壓強(qiáng)由10 bar增加至50 bar時(shí),其速度由1925 m/s增加到2025 m/s.此外,在自由膨脹分子束速度的研究中,Christen和Rademann等[28]考慮了比熱容比γ在自由膨脹分子束的初始和末態(tài)的變化,利用實(shí)際流體計(jì)算代替了理想氣體計(jì)算模型(采用定值比熱容比,他們之間的主要區(qū)別是在液氣相變附近和臨界點(diǎn)附近),計(jì)算了二氧化碳CO2自由膨脹分子束的終端平均速度.結(jié)果表明在10—100 bar范圍內(nèi),CO2超聲束流的速度隨源壓強(qiáng)的增大而逐漸下降,且在源壓強(qiáng)小于80 bar時(shí)大于理想氣體理論預(yù)測(cè)速度,在源壓強(qiáng)大于80 bar時(shí)小于理想氣體理論預(yù)測(cè)速度.因此,源壓強(qiáng)對(duì)超聲分子束速度的影響仍然是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容.

目前已發(fā)展出多種測(cè)量流體速度的方法并用于超聲分子束的實(shí)驗(yàn)研究,例如粒子圖像測(cè)速法[29]、激光多普勒測(cè)速法[30]以及飛行時(shí)間質(zhì)譜法(TOFMS)[15].其中,TOFMS法是測(cè)量超聲分子束速度的一種常用方法,該方法將分子束電離產(chǎn)生離子束,通過測(cè)量給定距離下離子的飛行時(shí)間來測(cè)量超聲分子束的速度,該方法的測(cè)量精度能夠達(dá)到很高的水平,如誤差為0.3%[17,18].使用該測(cè)量方法可精確測(cè)量超聲分子束中心極小范圍(平方微米量級(jí))內(nèi)的速度分布,非常適合研究基于超聲分子束的原子分子物理.但該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求較高,包括需要足夠短的超聲分子束脈沖持續(xù)時(shí)間(小于20 μs)以避免分子束內(nèi)部分子之間的干擾,需要多級(jí)差分真空系統(tǒng)以維持嚴(yán)格的高真空度(10—7Pa以下)[8],同時(shí)還需要高精度的電離控制系統(tǒng)以保證離子的電荷態(tài)等.并且,這種測(cè)量方式不易與其他系統(tǒng)兼容,靈活性稍差.此外,TOFMS法也不適用于某些研究領(lǐng)域,如航空器的超聲噴流推進(jìn)研究或磁約束聚變領(lǐng)域的超聲分子束注入研究.這些研究領(lǐng)域需要關(guān)注的是受環(huán)境流體卷吸影響的、較大范圍內(nèi)的(大于平方毫米量級(jí))分子束的平均速度演變,因此TOFMS法無法滿足這些領(lǐng)域的測(cè)量要求,需要新的測(cè)量方法.

本文針對(duì)超聲分子束在磁約束聚變中的加料注入領(lǐng)域,在長(zhǎng)距離真空裝置內(nèi)產(chǎn)生了6種氣體(H2,D2,N2,Ar,He和CH4)的自由膨脹超聲分子束,并基于麥克風(fēng)的簡(jiǎn)潔高效的超聲分子束速度和密度的測(cè)量方法[31,32],研究了源壓強(qiáng)(10—50 bar)對(duì)較大范圍內(nèi)所述6種分子束的平均速度的遠(yuǎn)域軸向分布的影響,以及源溫度(80—300 K)與H2和D2分子束的飛行速度之間的關(guān)系.研究結(jié)果有助于進(jìn)一步探索超聲分子束特性在遠(yuǎn)域空間的演化規(guī)律以及超聲分子束速度與源壓強(qiáng)的關(guān)系,并有助于超聲分子束在聚變堆加料技術(shù)中的應(yīng)用.

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)長(zhǎng)達(dá)2.5 m的真空裝置中進(jìn)行,該真空裝置由三個(gè)內(nèi)徑較大的診斷靶室和兩段連接靶室的飛行管道組成,其靜態(tài)真空度優(yōu)于1×10—4Pa.靶室和飛行管道均設(shè)有觀察側(cè)窗,用于安裝速度和密度的診斷裝置,實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.脈沖超聲束流的產(chǎn)生裝置是基于Parker公司的脈沖電磁閥和一個(gè)直徑0.5 mm的圓柱噴嘴,該閥能夠承受86.2 bar的氣體壓強(qiáng),并且泄漏率很低(1×10—7cc/s/atm @Helium).脈沖閥門的噴氣時(shí)間和重復(fù)頻率可通過外接驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié),實(shí)驗(yàn)設(shè)置噴氣時(shí)間為3 ms以獲得便于觀察的信號(hào)寬度,在驅(qū)動(dòng)器的作用下閥門開啟的響應(yīng)時(shí)間約為160 μs,但其時(shí)間的抖動(dòng)較小.另外,通過自主加工的一套液氮冷卻裝置來產(chǎn)生低溫下的超聲分子束,液氮冷卻裝置及相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[33],實(shí)驗(yàn)中源溫度控制在80—300 K.氣源壓強(qiáng)通過與高壓氣源連接的泄壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié),壓強(qiáng)范圍為10—50 bar.

超聲分子束的測(cè)量系統(tǒng)是基于麥克風(fēng)(駐極體結(jié)構(gòu))構(gòu)建的,當(dāng)超聲噴流撞擊麥克風(fēng)時(shí),麥克風(fēng)振膜發(fā)生形變引起電容變化,通過外接的RC電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并為示波器記錄[31].信號(hào)由一個(gè)正脈沖和一個(gè)負(fù)脈沖組成,對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行分析后,發(fā)現(xiàn)正脈沖對(duì)應(yīng)麥克風(fēng)被分子束壓縮的過程,負(fù)脈沖對(duì)應(yīng)麥克風(fēng)恢復(fù)的過程[31],正負(fù)脈沖的時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)噴氣時(shí)間,脈沖信號(hào)的幅度反映了分子束的密度,而正脈沖信號(hào)的起始時(shí)間則反映了超聲分子束輸運(yùn)到麥克風(fēng)位置處的時(shí)間,詳細(xì)結(jié)果參見文獻(xiàn)[31].

速度的測(cè)量基于飛行時(shí)間法.通過測(cè)量圖1中4個(gè)不同軸向位置(310,700,1085和1695 mm)處的超聲分子束作用麥克風(fēng)產(chǎn)生的信號(hào)的起始時(shí)間,可得到距離-時(shí)間曲線,進(jìn)而對(duì)相鄰兩點(diǎn)擬合計(jì)算得到超聲分子束在軸向的飛行速度.由于較難準(zhǔn)確獲得從超聲分子束產(chǎn)生到麥克風(fēng)產(chǎn)生信號(hào)之間的絕對(duì)時(shí)間延遲,因此實(shí)驗(yàn)不能給出噴嘴到第一個(gè)麥克風(fēng)距離段超聲分子束的平均速度.此外,由于麥克風(fēng)的有效面積為7.07 mm2,產(chǎn)生的信號(hào)反映轟擊到該區(qū)域內(nèi)所有分子的集體作用,因此計(jì)算結(jié)果反映的是束流在該區(qū)域內(nèi)的平均速率.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分子束密度(粒子數(shù))對(duì)麥克風(fēng)信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)具有較大影響,信號(hào)定時(shí)時(shí)間將隨著信號(hào)幅度的增大而減小,但當(dāng)麥克風(fēng)飽和后,定時(shí)時(shí)間趨于穩(wěn)定[31].而飛行時(shí)間法是用給定距離下兩點(diǎn)的時(shí)間差來計(jì)算平均速度,要求這兩點(diǎn)的定時(shí)盡可能準(zhǔn)確以保證速度計(jì)算的準(zhǔn)確性,即這兩點(diǎn)的密度對(duì)定時(shí)盡量無影響.由于麥克風(fēng)在飽和后可保證定時(shí)時(shí)間不變,從而避免了分子束密度對(duì)定時(shí)的影響,因此本文在研究分子束速度的軸向分布時(shí),采用最大源壓強(qiáng)(50 bar)產(chǎn)生的6種超聲分子束進(jìn)行測(cè)量,此時(shí)麥克風(fēng)完全飽和,保證了速度測(cè)量的準(zhǔn)確性.而在研究氣壓對(duì)超聲分子束速度的影響時(shí),采用在距離噴嘴較近(310—700 mm)處的測(cè)量結(jié)果,在此區(qū)間內(nèi)分子束密度相對(duì)較大且變化緩慢[31],可保證速度測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確.

圖1 超聲分子束速度測(cè)量裝置示意圖Fig.1.Schematic diagram of supersonic molecular beam velocity measuring device.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 定時(shí)誤差

首先,研究了系統(tǒng)的定時(shí)誤差.針對(duì)同一實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了多次測(cè)量,獲得了定時(shí)差值結(jié)果以及頻率分布如圖2所示,結(jié)果表明時(shí)間晃動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.0097 ms.這一波動(dòng)來自于實(shí)驗(yàn)背景噪聲和射流的不穩(wěn)定性,此外也包含了閥門開啟時(shí)間的抖動(dòng)以及麥克風(fēng)響應(yīng)的抖動(dòng)誤差,它們會(huì)引起擬合速度結(jié)果的誤差.對(duì)引起的擬合速度誤差verr進(jìn)行估算,如下式:

圖2 多次測(cè)量定時(shí)誤差(a)和頻率分布直方圖(b)Fig.2.Timing error(a)and frequency distribution histogram(b)of multiple measurements.

式中Δz表示距離差,Δt表示時(shí)間差,terr代表測(cè)量時(shí)間誤差,vfit代表擬合速度.由上式可知,對(duì)速度越大的束流,波動(dòng)引起的擬合誤差越大.對(duì)于500—2000 m/s的射流,當(dāng)飛行距離Δz=390 mm時(shí)(第一個(gè)測(cè)量位置到第二個(gè)測(cè)量位置的距離),由于terr～0.01 ms,速度的誤差約為6.3—97.5 m/s,誤差百分比約為1.2%—4.8%.

3.2 超聲分子束理論極限速度

超聲分子束的終端速度可以通過分子束的初始和末態(tài)狀態(tài)決定.在高氣壓下,氣體黏度和傳熱的影響可以忽略,氣流可以看作是絕熱等熵膨脹的[34],有能量守恒:式中E代表平均總摩爾能量,U為摩爾內(nèi)能(描述粒子的隨機(jī)平移和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)),PV代表在壓強(qiáng)P下由流體的摩爾體積V變化引起的壓力-體積功,NA為阿伏伽德羅常數(shù),代表動(dòng)能(來自于質(zhì)量為m的NA個(gè)粒子重心運(yùn)動(dòng)的平均速度v),下標(biāo)0和1分別代表束流的初始和末態(tài)狀態(tài),則P0代表束流的初始源壓強(qiáng).認(rèn)為初始狀態(tài)氣體沒有質(zhì)心運(yùn)動(dòng)v0=0,由于摩爾焓H≡U+PV,有以下公式給出超聲分子束的終端速度[25]:

脈沖束在閥門打開時(shí)間短的情況下可能符合這種簡(jiǎn)化,因?yàn)樵谂蛎涍^程中離開儲(chǔ)氣瓶的粒子比例通常很小.由于定壓摩爾熱容CP=(?H/?T)P,近似認(rèn)為CP～(H0—H1)/(T0—T1),其中T表示溫度.此外,定容摩爾熱容CV=CP—R,比熱容比其中R為理想氣體常數(shù),R=8.314J·mol—1·K—1.存在以下極限速度公式[25]:

對(duì)于單原子分子、雙原子分子和多原子分子,γ分別為1.667,1.4和1.29.在這個(gè)關(guān)于自由射流絕熱膨脹的著名描述中,極限速度與源溫度的平方根成正比,與粒子質(zhì)量的平方根成反比.但它僅針對(duì)接近理想氣體的情況,對(duì)于所有本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的大范圍內(nèi)分子束的平均速度,則需要進(jìn)一步的測(cè)量與對(duì)比觀察.

3.3 常溫下六種分子束的速度

對(duì)測(cè)量的距離-時(shí)間結(jié)果的每相鄰的兩個(gè)距離點(diǎn)進(jìn)行擬合,由于分別在四個(gè)軸向位置處進(jìn)行了測(cè)量,可得到分子束在三個(gè)距離段上的平均速度,距離段Ⅰ對(duì)應(yīng)310—700 mm,距離段Ⅱ?qū)?yīng)700—1085 mm,距離段Ⅲ對(duì)應(yīng)1085—1695 mm.這樣就得到了6種(H2,D2,N2,Ar,He,CH4)分子束在遠(yuǎn)域空間(310—1695 mm)的軸向速度分布,如圖3所示.結(jié)果表明,沿著束流出射方向,H2和D2分子束的速度從距離段I到距離段Ⅱ變化不大,但在距離段Ⅲ明顯下降: 其中H2下降140 m/s,D2下降120 m/s.而CH4和N2的速度在各距離段變化較小,分別下降了為81 m/s和53 m/s.其原因很可能是受真空靶室的限制作用,與靶室壁碰撞的分子反彈影響真空環(huán)境,在背景真空的粒子作用下,導(dǎo)致氣流在遠(yuǎn)域空間經(jīng)碰撞形成等溫湍流,從而引起分子束速度逐漸下降.

圖3 壓強(qiáng)P0為50 bar時(shí),超聲分子束速度隨軸向距離的變化規(guī)律(a)H2,D2和He的速度結(jié)果;(b)N2,Ar和CH4的速度結(jié)果Fig.3.The velocity of the supersonic molecular beam varies with the axial distance when the pressure P0 was 50 bar:(a)The velocity results of H2,D2 and He;(b)the velocity results of N2,Ar and CH4.

此外,測(cè)量得到的在第一個(gè)距離段(300—710 mm)內(nèi),各分子束速度在不同源壓強(qiáng)下(10—50 bar)的速度分布,如圖4所示.結(jié)果表明,在10—50 bar范圍內(nèi),H2和D2分子束的速度隨源壓強(qiáng)的增加而增大,與趙大為等[35]采用CCD相機(jī)測(cè)量的H2分子束速度隨源壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)以及Reisinger等[27]利用飛行質(zhì)譜法研究的D2分子束速度隨源壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)較為一致.然而,除去源壓強(qiáng)低于20 bar的點(diǎn),He,Ar,N2和CH4分子束的速度隨源壓強(qiáng)增加而下降.其中Ar的結(jié)果與Christen等[9]利用飛行質(zhì)譜法研究的Ar分子束的速度隨源壓強(qiáng)下降的趨勢(shì)較為一致,而He的測(cè)量結(jié)果與Eder等[36]利用質(zhì)譜法測(cè)量的He分子束的速度隨源壓強(qiáng)增大的結(jié)果不太相符.實(shí)驗(yàn)表明,噴氣氣壓對(duì)超聲分子束的速度有較大影響.而不同種類的氣體分子束,其速度同氣壓的變化規(guī)律并不相同,這應(yīng)該與不同種類氣體的性質(zhì)以及噴氣時(shí)的狀態(tài)參數(shù)有關(guān).因此,在超聲分子束加料實(shí)驗(yàn)中,可通過調(diào)節(jié)源壓強(qiáng)來對(duì)超聲分子束的速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié).此外,已有實(shí)驗(yàn)研究表明[8,25],在不同的溫度下超聲分子速度隨源壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)也會(huì)變化,因此還需要更多更深入的理論模擬研究進(jìn)行解釋.

圖4 H2,D2和He分子束(a),以及N2,Ar和CH4分子束(b)的飛行速度隨源壓強(qiáng)的變化曲線Fig.4.The curves of the velocities of H2,D2 and He molecular beams(a)and N2,Ar and CH4 molecular beams(b)with pressure.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,H2分子束的速度為1392—1572 m/s,高于董賈福等[11]在背景真空度10—3Pa以10 bar源壓強(qiáng)產(chǎn)生的超聲分子束的測(cè)量速度結(jié)果1200 m/s; 而與趙大為[35]在背景真空度1×10—4Pa以源壓強(qiáng)6 bar產(chǎn)生的超聲分子束的測(cè)量速度結(jié)果1682 m/s較為接近; 并且,該速度僅占?xì)錃饫碚摌O限速度2931 m/s的54%.D2的速度在1083—1234 m/s之間,為其極限速度2086 m/s的60%,該結(jié)果與采用飛行時(shí)間質(zhì)譜方法在T0=310 K時(shí)測(cè)量得到的D2束流速度(1925—2025 m/s)[8]相比,速度明顯降低.He的速度在1048—1174 m/s,也小于Eder[36]等利用飛行時(shí)間質(zhì)譜法實(shí)驗(yàn)測(cè)得的1760—1780 m/s和Christen[18]利用飛行時(shí)間質(zhì)譜法測(cè)得的1825 m/s的結(jié)果,且只占其理論極限速度1757 m/s的68%.這也說明,對(duì)于超聲分子束注入(SMBI)加料研究,由于采用自由膨脹束流,且噴氣時(shí)間較長(zhǎng)(毫秒量級(jí)),受實(shí)際分子間相互作用影響較大,不能直接采用之前飛行時(shí)間質(zhì)譜法測(cè)量的接近理想狀況的結(jié)果.

而對(duì)于N2,CH4和Ar分子束,它們的速度同各自極限速度較為接近: 甲烷分子束的平均速度占其極限速度1157 m/s的85%; 氮?dú)夥肿邮骄俣葹槠錁O限速度786 m/s的92%; 氬氣分子束的平均速度非常接近極限速度557 m/s.

超聲分子束速度和分子量的關(guān)系如圖5所示.結(jié)果表明,盡管小于理想極限速度,實(shí)驗(yàn)中分子束速度與分子量仍然成反比,且分子量越大越接近極限速度.我們認(rèn)為當(dāng)測(cè)量得到的速度接近估算的極限速度時(shí),束流中有團(tuán)簇生成.如表1所列,對(duì)比結(jié)果表明,利用本實(shí)驗(yàn)所采用的圓柱噴嘴,常溫下,H2,D2和He束流不能形成團(tuán)簇,而CH4,Ar和N2束流能夠形成團(tuán)簇.為了對(duì)以上的束流成團(tuán)估計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,利用Hagena經(jīng)驗(yàn)公式[37],也可以觀察束流在不同源溫度下的成團(tuán)情況.Hagena經(jīng)驗(yàn)公式表示為

其中k是經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與氣體種類有關(guān)[38];d是噴嘴直徑,為0.5 mm;α是束流膨脹張角,本實(shí)驗(yàn)所用的是圓柱噴嘴,取45°;T0和P0分別是源溫度和源壓強(qiáng)(50 bar).Smith 等[38]的研究表明,Γ*＞ 100時(shí),束流中開始能夠形成團(tuán)簇.將參數(shù)代入(4)式,結(jié)果表明,與Hagena經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果相比,H2,D2,He,Ar和CH4的成團(tuán)情況與Hagena經(jīng)驗(yàn)公式吻合,而N2比預(yù)測(cè)的更容易形成團(tuán)簇.

表1 H2,D2,N2,Ar,He和CH4的實(shí)驗(yàn)擬合速度和各自極限速度的對(duì)比Table 1. Comparison of the experimental fitting velocities and the limit velocities of H2,D2,N2,Ar,He and CH4.

圖5 六種超聲分子束的速度與分子量之間的關(guān)系 實(shí)心方形■代表在50 bar源壓強(qiáng)下速度的測(cè)量結(jié)果,空心圓○代表估算的極限速度結(jié)果Fig.5.The relationship between the velocities of the six supersonic molecular beams and their molecular weights.The solid square ■ represents the measured velocity at 50 bar source pressure,and the hollow circle ○ represents the estimated limit velocity.

3.4 低溫下H2和D2分子束的速度

由于低溫下氫氣H2/氘氣D2分子束能聚集產(chǎn)生團(tuán)簇[38,39],為了測(cè)量低溫對(duì)較大范圍分子束平均速度的影響,本文還對(duì)低溫下H2和D2超聲分子束流速度進(jìn)行了測(cè)量.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),H2和D2束流速度隨溫度的增加而增大,如圖6所示,圖中黑色虛線表示利用(3)式估算的超聲分子束極限速度結(jié)果.對(duì)比可知,只有在低溫下H2和D2束流的速度才與極限速度接近,而溫度越高束流速度與極限速度的差距越大.這表明,隨著源溫度的增加,氣流的末態(tài)溫度越高,也就越難以形成團(tuán)簇.對(duì)比結(jié)果還表明,隨著源溫度的降低,與H2分子束相比,D2分子束的速度更容易接近極限速度.

圖6 H2(a),D2(b)超聲束速度隨溫度的變化結(jié)果Fig.6.The variation of supersonic H2(a)and D2(b)beam velocity with temperature.

4 結(jié) 論

本文介紹了利用麥克風(fēng)進(jìn)行超聲分子束速度測(cè)量的方法,并且利用飛行時(shí)間方法測(cè)量了H2,D2,N2,Ar,He和CH4超聲分子束速度隨源壓強(qiáng)的變化以及速度在軸向的空間分布.結(jié)果表明,自由膨脹束流的速度與氣體分子量成反比.其中,H2,D2和He的速度分別只占各自理想極限速度54%,60%和68%,且在遠(yuǎn)域空間速度下降較快.而CH4,N2和Ar的速度與它們的極限速度十分接近,占比分別為85%,92%和99%,且在遠(yuǎn)域空間速度下降較緩.研究了低溫下H2和D2超聲分子束速度隨溫度變化的情況,結(jié)果表明,H2和D2束流速度隨源溫度的增加而增大,且低溫下的H2和D2束流的速度與極限速度接近,而溫度越高,束流速度越低于極限速度.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為通過調(diào)節(jié)氣源溫度、壓強(qiáng)以及束流入射距離控制超聲分子束參數(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),有助于進(jìn)一步提高超聲分子束加料效率.