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CN111705303B - 一种差分的空气动力学设计在气体团簇束流源应用与装置 - Google Patents

一种差分的空气动力学设计在气体团簇束流源应用与装置 Download PDF

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Abstract

一种差分的空气动力学设计在气体团簇束流源应用，使用适用于气相冷凝团簇源冷凝腔出口处的特斯拉型不可动微阀；利用气流从特斯拉不可动微阀单向流动的低阻方向性，在较低真空泵组和冷凝气流量的条件下，维持冷凝腔高的气压和真空腔低的本底气压；将特斯拉不可动微阀的低阻方向和团簇源从高压冷凝腔到低压的真空腔的指向反向，使冷凝腔中气体不易进入真空腔体；同时控制特斯拉不可动微阀中与直形轨道接口连通的半环轨道个数，调节特斯拉不可动微阀单向流阻大小；高气压的冷凝腔实现更有效的团簇和纳米颗粒合成。

Description

一种差分的空气动力学设计在气体团簇束流源应用与装置
技术领域
本发明涉及一种新型差分空气动力学设计，尤其是用于气相冷凝团簇源的高低气压区域有效分隔设计。
背景技术
传统冷凝腔和真空装置之间基于差分真空系统来实现不同的真空度环境。一般冷凝腔中为101pa量级，而真空系统为10-4pa量级。然而进一步提高差分系统两级之间的真空度则要求真空泵的巨大抽速，对于一般的真空泵组难以满足，而符合条件的泵组又即为昂贵。因此设计一种基于空气动力学的差分真空系统，减少低真空度的冷凝腔气压向高真空腔体扩散，具有重要意义。本发明人团队在先申请过多项专利，如CN2016106226871一种原子团簇束流的针对有机体的纳米加工方法与设备。基于空气动力学设计的差分抽气系统将对获得高的真空度差，减少真空系统对泵组要求有着十分重要的作用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是，提供一种气体团簇束流源差分的空气动力学设计方法，尤其是差分真空系统中有效维持两级不同真空度的方法，用于气相冷凝团簇源的高低气压区域有效分隔，以及差分的空气动力学设计在气体团簇束流源应用与装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种差分的空气动力学设计在气体团簇束流源应用与装置，使用适用于气相冷凝团簇源冷凝腔出口处的特斯拉型不可动微阀；以空气动力学方式使冷凝腔中的高气压难以进入低气压的真空系统，利用气流从特斯拉不可动微阀单向流动的低阻方向性，在较低真空泵组和冷凝气流量的条件下，维持冷凝腔极高的气压和真空腔极低的本底气压。高气压的冷凝腔可实现更有效的团簇和纳米颗粒合成。
将特斯拉不可动微阀的低阻方向和团簇源从高压冷凝腔到低压真空腔的指向反向，使冷凝腔中气体不易进入真空腔体；同时控制特斯拉不可动微阀中与直形轨道接口连通的半环轨道个数，调节特斯拉不可动微阀单向流阻大小。
使用真空泵排空真空腔内空气使之达到中高真空的环境(<1E-6Pa)，而冷凝腔中通入冷凝气体，使其气压达到～102pa。
启动材料源产生团簇束流；调节冷凝腔中气体流量和比例，调节特斯拉不可动微阀连通的半环轨道个数用于控制冷凝腔的低气压端气压，使束流产生量达到最高。
使用适用于气相冷凝团簇源冷凝腔出口处的特斯拉型不可动微阀；利用气流从特斯拉不可动微阀单向流动的低阻方向性，在较低真空泵组和冷凝气流量的条件下，维持冷凝腔高的气压和真空腔低的本底气压；将特斯拉不可动微阀的低阻方向和团簇源从高压冷凝腔到低压的真空腔的指向反向，使冷凝腔中气体不易进入真空腔体；同时控制特斯拉不可动微阀中与直形轨道接口连通的半环轨道个数，调节特斯拉不可动微阀单向流阻大小；高气压的冷凝腔实现更有效的团簇和纳米颗粒合成。
设有分子泵机械泵的真空泵组：获得高真空腔体环境；冷凝腔体：冷凝腔体是差分抽气系统中的高气压部分，用于纳米颗粒的冷凝生长；特斯拉不可动微阀直形轨道是冷凝腔中高气压气流流出的通道；
特斯拉不可动微阀半环轨道通过与直形轨道相连；直形轨道在一条直线上设有多级连通阀，每级连通阀(能截断)的垂直平面由光圈结构控制，并由外置式多路控制器控制每级连通阀的通断与开度，直形轨道的每级连通阀后部旁侧设有若干半环轨道，半环轨道的进出口均开设在柱状直形轨道的柱壁上，半环轨道平面与直线轨道形成30-75度的角，过直形轨道每级连通阀后的高压气流扩散至大的空间即至后部旁侧的半环轨道；直形轨道与半环轨道外控型连通阀可以控制直形轨道上连通的半环轨道个数，起到控制整个特斯拉不可动微阀流阻大小的作用；
外置式多路控制器置于真空外部，通过电极法兰进入真空腔体内部和直形轨道与半环轨道外控型连通阀相连，并控制连通阀。
连通阀为光圈型连通阀；由电极法兰对其进行控制开关及开度。直形轨道上设有五级以上连通阀，连通阀6全部或部分打开后则半环轨道的流量获得反向流阻，能够获得收集效果好的束流强度。
本发明的差分的空气动力学设计的气体团簇束流源装置，包括分子泵1、机械泵2、冷凝腔体3、特斯拉不可动微阀直形轨道4、特斯拉不可动微阀半环轨道5、直形轨道与半环轨道外控型连通阀6，外置式多路控制器7；在冷凝腔体出口处安装由特斯拉不可动微阀直形轨道4、特斯拉不可动微阀半环轨道5、直形轨道与半环轨道外控型连通阀6共同组成的特斯拉不可动微阀，连接外置式多路控制器7至外控型连通阀6；外置式多路控制器7经电控制直形轨道与半环轨道外控型连通阀6的连通个数。
适用于冷凝腔的特斯拉不可动微阀功能等于单向阀，实现气流低阻的从一端口流向另一端口，而反向的流动极为困难；实现冷凝腔中的高气压，且减少冷凝气体的消耗和对真空泵组抽速的要求；与此同时，通过对阀中连通特斯拉不可动微阀直形轨道的半环轨道个数，控制特斯拉不可动微阀中气体的流阻大小，实现不同冷凝气压的获得，是高冷凝效率量产团簇源的重要组件。
特斯拉不可动微阀半环轨道通过与直形轨道相连；直形轨道在一条直线上设有多级连通阀，每级连通阀(能截断)的垂直平面由光圈结构控制，并由外置式多路控制器控制每级连通阀的通断与开度，直形轨道的每级连通阀后部旁侧设有若干半环轨道，半环轨道的进出口均开设在柱状直形轨道的柱壁上，半环轨道平面与直线轨道形成30-75度的角，过直形轨道每级连通阀后的高压气流扩散至大的空间即至后部旁侧的半环轨道；直形轨道与半环轨道外控型连通阀可以控制直形轨道上连通的半环轨道个数，起到控制整个特斯拉不可动微阀流阻大小的作用；
直形轨道设有五级以上连通阀，高压气流带动团簇束流沉积在直形轨道的最未端或在直流轨道的近未端，近未端收集时则在最后一级连通阀附近设置收集皿。
Tesla微阀利用摩擦力而不是运动部件来抑制回流。可以通过在建模域内分配特定量的材料来优化设计，目标是最大程度地提高此装置前向流动和后向流动的压降比。
操作步骤：
1.将传统获得差分真空系统的nozzle-skimmer系统的nozzle替换为特斯拉不可动微阀；
2.开启真空腔体，在半环轨道连通个数为0的无单向性模式下检测最佳真空度。
3.启动材料源产生原子级材料束流。调节特斯拉不可动微阀的连通半环轨道个数和冷凝气流量，获得最佳束流强度。
4.利用特斯拉不可动微阀维持适当的气压，进行团簇束流沉积。
本发明依据上述方法的一种用于气体团簇束流源差分的空气动力学设计特斯拉不可动微阀装置，包括以下结构：分子泵1、机械泵2、冷凝腔体3、特斯拉不可动微阀直形轨道4、特斯拉不可动微阀半环轨道5、直形轨道与半环轨道外控型连通阀6，外置式多路控制器7。
外置式多路控制器7经电控制直形轨道与半环轨道外控型连通阀6的连通个数，进而控制与直形轨道相连通的半环轨道个数。调节特斯拉阀的气体流阻。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下有益效果：
1.相较于传统的nozzle-skimmer差分真空系统，基于特斯拉阀的差分真空的空气动力学设计能在低气流量、低真空泵组抽气效率的条件下获得同样的高气压。或在较高的真空泵组抽气效率下获得更高的高气压。
2.该新型差分真空的空气动力学设计应用于气相冷凝团簇源的冷凝腔出口可大幅度提高冷凝腔中的气体冷凝效率，减少冷凝气体消耗，并大幅提高束流产量。
3.传统的nozzle-skimmer差分系统，高气压部分气压过高、气流量过大的情况下会破坏低气压部分的真空度。相较于传统法基于特斯拉阀的差分真空的空气动力学设计，可以在同样的高气压下避免对低气压部分真空度的大幅破坏，起到了有效的空气动力学隔离。
本发明不但是一种基于空气动力学的差分真空设计；是基于特斯拉不可动微阀的差分真空的空气动力学设计，也是一种获取量产纳米团簇束流的有效装置。本发明还是一种提高真空冷凝腔气压和冷凝效率的装置。是一种物理法宏量制备团簇束流的技术方法。以及补偿真空泵组抽速不足的技术方法。
附图说明
图1是本发明可调型特斯拉不可动微阀差分的空气动力学设计装置总装图。
图2是本发明光圈式连通阀的正面示意图。中央是可变径通孔，类似于相机光圈式快门。
图3是本发明流控示意图。
图4可调型特斯拉不可动微阀差分的空气动力学设计装置总装图和单个特斯拉阀结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括：差分真空泵组包括分子泵1、机械泵2，图中画出了差分真空泵组提供的入口；冷凝腔体(低压真空腔)3、特斯拉不可动微阀直形轨道4、特斯拉不可动微阀半环轨道5、直形轨道与半环轨道外控型(光圈式)连通阀6，外置式多路控制器7。冷凝腔出口及高压腔8。高压气流9，反向流阻10。环形腔流11。
分子泵机械泵的真空泵组：获得高真空腔体环境。
冷凝腔体：冷凝腔体是差分抽气系统中的高气压部分，可用于纳米颗粒的冷凝生长。
特斯拉不可动微阀直形轨道是冷凝腔中高气压气流流出的主要通道。
特斯拉不可动微阀半环轨道通过与直形轨道相连，使其中一个方向的气流出现大的流阻，而反向的流阻几乎不变(但通过控制各级连通阀的通断与开度可以改变反向的流阻)。起到了提供单向流阻的作用。直形轨道在一条直线上设有多级连通阀6，每级连通阀(能截断)的垂直平面由光圈结构控制，并由外置式多路控制器7控制每级连通阀的通断与开度，直形轨道的每级连通阀后部旁侧设有若干半环轨道，半环轨道的进出口均开设在柱状直形轨道的柱壁上，半环轨道平面与直线轨道形成30-75度的角，过直形轨道每级连通阀后的高压气流9扩散至大的空间即至后部旁侧的半环轨道；直形轨道与半环轨道外控型连通阀可以控制直形轨道上连通的半环轨道个数，起到控制整个特斯拉不可动微阀流阻大小的作用。
外置式多路控制器7置于真空外部，通过电极法兰进入真空腔体内部和直形轨道与半环轨道外控型连通阀6相连，并控制连通阀。连通阀为光圈型连通阀。电极法兰对其进行控制开关及开度。图4中直形轨道上五级(装置设计可以更多级)连通阀6全部或部分打开后则半环轨道的流量获得反向流阻10，能够获得最佳束流强度(高压气流带动团簇束流沉积在直形轨道的最未端或在直流轨道的近未端，近未端收集时则在最后一级连通阀附近设置收集皿)。每个半环轨道的流量均可控。
操作流程：
1.将传统差分真空系统的冷凝腔的nozzle-skimmer系统的nozzle替换为可调型特斯拉不可动微阀；
2.开启真空腔体，外控型连通阀6全部关闭、则在半环轨道连通个数为0的无单向性模式下检测最佳真空度；
3.启动材料源产生原子级材料束流。调节特斯拉不可动微阀的连通半环轨道个数和冷凝气流量，获得最佳束流强度；
4.利用特斯拉不可动微阀维持适当的气压，进行团簇束流沉积。

Claims (9)

1.一种差分的空气动力学设计在气体团簇束流源应用，其特征是，使用适用于气相冷凝团簇源冷凝腔出口处的特斯拉型不可动微阀；利用气流从特斯拉不可动微阀单向流动的低阻方向性，在较低真空泵组和冷凝气流量的条件下，维持冷凝腔高的气压和真空腔低的本底气压；将特斯拉不可动微阀的低阻方向和团簇源从高压冷凝腔到低压的真空腔的指向反向，使冷凝腔中气体不易进入真空腔体；同时控制特斯拉不可动微阀中与直形轨道接口连通的半环轨道个数，调节特斯拉不可动微阀单向流阻大小；高气压的冷凝腔实现更有效的团簇和纳米颗粒合成。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征是，使用真空泵排空真空腔内空气使之为<1E-6Pa中高真空的环境，而冷凝腔中通入冷凝气体，使其气压达到102 Pa。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征是，启动材料源产生团簇束流；调节冷凝腔中气体流量和比例，调节特斯拉不可动微阀连通的半环轨道个数控制的冷凝腔气压，使束流产生量达到最高。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征是，有分子泵机械泵的真空泵组：获得高真空腔体环境；冷凝腔体：冷凝腔体是差分抽气系统中的高气压部分，用于纳米颗粒的冷凝生长；特斯拉不可动微阀直形轨道是冷凝腔中高气压气流流出的通道；
特斯拉不可动微阀半环轨道通过与直形轨道相连；直形轨道在一条直线上设有多级连通阀，每级连通阀的垂直平面由光圈结构控制，并由外置式多路控制器控制每级连通阀的通断与开度，直形轨道的每级连通阀后部旁侧设有若干半环轨道，半环轨道的进出口均开设在柱状直形轨道的柱壁上，半环轨道平面与直线轨道形成30-75度的角，过直形轨道每级连通阀后的高压气流扩散至大的空间即至后部旁侧的半环轨道；直形轨道与半环轨道外控型连通阀能控制直形轨道上连通的半环轨道个数，起到控制整个特斯拉不可动微阀流阻大小的作用；
外置式多路控制器置于真空外部，通过电极法兰进入真空腔体内部和直形轨道与半环轨道外控型连通阀相连，并控制连通阀。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征是，连通阀为光圈型连通阀；由电极法兰对其进行控制开关及开度。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征是，直形轨道上设有五级以上连通阀，连通阀全部或部分打开后则半环轨道的流量获得反向流阻，能够获得收集效果好的束流强度。
7.一种差分的空气动力学设计的气体团簇束流源装置，其特征是，包括分子泵、机械泵、冷凝腔体、特斯拉不可动微阀直形轨道、特斯拉不可动微阀半环轨道、直形轨道与半环轨道外控型连通阀，外置式多路控制器；在冷凝腔体出口处安装由特斯拉不可动微阀直形轨道、特斯拉不可动微阀半环轨道、直形轨道与半环轨道外控型连通阀共同组成的特斯拉不可动微阀，连接外置式多路控制器至外控型连通阀；
外置式多路控制器经电控制直形轨道与半环轨道外控型连通阀的连通个数。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征是，特斯拉不可动微阀半环轨道通过与直形轨道相连；直形轨道在一条直线上设有多级连通阀，每级连通阀的垂直平面由光圈结构控制，并由外置式多路控制器控制每级连通阀的通断与开度，直形轨道的每级连通阀后部旁侧设有若干半环轨道，半环轨道的进出口均开设在柱状直形轨道的柱壁上，半环轨道平面与直线轨道形成30-75度的角，过直形轨道每级连通阀后的高压气流扩散至大的空间即至后部旁侧的半环轨道；直形轨道与半环轨道外控型连通阀控制直形轨道上连通的半环轨道个数，起到控制整个特斯拉不可动微阀流阻大小的作用。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征是，直形轨道设有五级以上连通阀，高压气流带动团簇束流沉积在直形轨道的最未端或在直流轨道的近未端，近未端收集时则在最后一级连通阀附近设置收集皿。
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