Устройство формирования импульсной струйной мишени, образуемой при истечении газового, жидкостного или кластерного пучка в вакуум

Полезная модель относится к разделу экспериментальной физики, изучающему взаимодействие лазерного излучения с газовыми, жидкостными либо кластерными пучками, которые используются для генерации в области вакуумного ультрафиолетового, экстремального ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения.
Изготовление устройства формирования газовых, жидкостных либо кластерных пучков является сложной научно-технической задачей, так как к подобному устройству предъявляется ряд жестких требований: возможность работать с жидкостями и газами при сравнительно высоких давлениях (до 25 бар), большая газоплотность, малое время открытия, малые габариты, высокая надежность работы.
Ранее проводилось множество попыток создать подобные системы, в которых в качестве привода использовались пьезоэлементы или электромагнитные катушки, перемещающие сердечники из магнитных материалов. Системы с пьезоприводом обладают большими габаритами, хрупки и требуют высоковольтного питания. Малое перемещение запирающего элемента клапана в этом случае требует прецизионной обработки седла клапана, что приводит к необходимости использовать доочистку жидкости и газа перед подачей в систему коммутации струи.
В статье «Cryogenic liquid-jet target for debris-free laser-plasma soft x-ray generation» (Berglund M. et al., Review of scientific instruments, T. 69, №6 c. 2361-2364, 1998 г.) описана конструкция системы формирования жидкоструйной мишени, предназначенной для работы с криогенными жидкостями, например, азотом. Устройство позволяет получить микроскопические струи криогенных жидкостей, которые, как известно, не содержат твердых включений. Однако такая система характеризуется нестабильностью положения струи жидкости, у которой оно все время меняется, «пляшет». Данная система работоспособна в узком диапазоне температур и давлений, индивидуальном для каждой жидкости.
2
2
В работе «A debris-free soft X-ray source with gas-puff target» (Qiliang Ni et al., Proceedings of SPIE - the International Society for Optical Engineering!, V. 4502, 2001 г.) предложена система формирования газоструйной мишени, работающей с газами типа СО, О или газовыми смесями. Система содержит шток с резиновым уплотнением, которое закрывает отверстие сопла, при этом шток приводится в движение пьезокерамическим приводом. Система позволяет получить следующие параметры: длительность газового импульса 150 мкс - 2 мс, максимальное давление около 18 бар, рабочая частота пьезоэлектрического привода от 1 до 400 Гц. Недостатками известного устройства является возможность работать только с инертными либо не агрессивными газами, и малый рабочий ресурс резинового уплотнения клапана, кроме того требуются высокие напряжения для питания пьезокерамического привода.
Электромагнитный привод отличается меньшими габаритами, но и меньшими усилиями, действующими на запирающий элемент, что приводит к большому времени открытия при коммутации жидкости и газов при высоких давлениях и утечкам жидкостей либо газов в закрытом состоянии в вакуум.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в статье «Investigation of soft X-ray emission from a gas puff target irradiated with a Nd:YAG laser» (Henryk Fiedorowicz et al., Optics Communications, V 163, c. 103-114, 1999 г. ). Система формирования газовой мишени содержит корпус с закрепленным на нем соплом и с расположенным в нем подпружиненным штоком. Шток оснащен тарельчатым клапаном большого сечения, седло клапана оборудовано резиновым уплотнением. Устройство оснащено электромагнитным приводом, состоящим из магнита и катушки, которая перемещает шток. Система позволяет получить следующие параметры: время открытия клапана порядка 100 мкс, частота повторения до 20 Гц, давление газа до 10 бар. Недостатком данного устройства является возможность работы только с инертными или неагрессивными газами, так как катушка электромагнитного привода непосредственно контактирует с рабочим газом.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка устройства формирования импульсной струйной мишени, способного использовать в качестве рабочего вещества газы и жидкости, в том числе агрессивные, находящиеся в корпусе устройства под давлением до 25 бар.
Технический результат в разработанном устройстве достигается за счет того, что оно, как и прототип, содержит корпус с закрепленным на нем соплом и с расположенным в нем подпружиненным штоком, оснащенным клапаном и приводимым в движение электромагнитным приводом, состоящим из катушки и магнита. Новым в разработанном устройстве является то, что магнит закреплен на штоке, а неподвижная катушка размещена в корпусе таким образом, что не происходит ее контакта с рабочим веществом.
Полезная модель поясняется следующей фигурой.
На фигуре схематично в разрезе показано разработанное устройство формирования импульсной струйной мишени.
Заявленное устройство формирования импульсной струйной мишени содержит корпус 1, в котором находятся пружина 2, шток 3 с клапаном 4 и электромагнитный привод, состоящий из катушки 5 и магнита 6. На выходном конце корпуса 1 закреплено сопло 7. Магнит 6 закреплен на штоке 3, а катушка 5 размещена в корпусе 1.
Разработанное устройство формирования импульсной струйной мишени работает следующим образом. При выключенном электроприводе пружина 2 поджимает шток 3 с клапаном 4 таким образом, что выходное отверстие корпуса 1 оказывается герметично закрыто, и рабочее вещество не выходит из сопла 7. При подаче напряжения на катушку 5 происходит перемещение штока 3 за счет закрепленного на нем магнита 6, и рабочее вещество под давлением подается через сопло 7 в вакуумную камеру.
В разработанном устройстве катушка 5 размещена в корпусе 1 таким образом, что не происходит ее контакта с рабочим веществом, что в свою очередь позволяет использовать в качестве него различные жидкости и газы, в том числе агрессивные. К тому же такая изолированность катушки 5 от полости с рабочим веществом позволяет создавать внутри корпуса 1 достаточно большое давление до 25 бар.
Заявленная конструкция устройства формирования струйной мишени за счет возможности создания большого давления рабочей жидкости или газа позволяет эффективно использовать сверхзвуковые или иные сопла для формирования кластерного пучка. При этом на торец корпуса припаивается капилляр либо сопло различного профиля, позволяющие сформировать нужную конфигурацию жидкостной, кластерной или газовой струи.
Разработанное авторами устройство формирования струйной мишени в частном случае имеет следующие габаритные размеры: длина - 8 см, диаметр 1,5 см, напряжение питания 300 В, рабочая температура от +150 до -10°С. Катушка конструктивно была отделена от камеры с рабочим веществом и залита компаундом. Материал штока и корпуса - немагнитная коррозионностойкая нержавеющая сталь. Испытания устройства проводились вплоть до давления 25 бар, при котором оно оставалось работоспособным и герметичным. Данное устройство эксплуатировалось со следующими веществами: вода, спирты, углеводороды, бензол, ацетон, толуол, растворы серы и иода в углеводородах, хлор-фтор-бромсодержащие фреоны, фторзамещенные углеводороды, шестифтористая сера, бромистый метилен, хлористый метилен.
Таким образом, в разработанном устройстве формирования импульсной струйной мишени магнит электромагнитного привода закреплен на штоке, при этом неподвижная катушка размещена в корпусе, причем таким образом, что не происходит ее контакта с рабочим веществом. Это позволяет использовать в качестве рабочего вещества газы и жидкости, в том числе агрессивные, находящиеся в корпусе устройства под давлением до 25 бар.