Устройство для формирования и сепарации пучка частиц нелетучих соединений

(19) 1/02 1)5 АНИЕ ИЗОБРЕТЕН У т ядернои физи В.А.КнязьковТФ, 1987, т. 57,о СССР1988. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(56) Варенцов В,Л. и др. - ЖМ 4, с, 755 - 759.Авторское свидетельстМ 1453448, кл. О 21 К 1/02 Изобретение относится к технике формирования и управления пучками частиц и может быть использовано в области физического эксперимента на атомных, молекулярных и ионных пучках нелетучих соединений.Целью изобретение является устранение указанных выше недостатков, то есть уменьшение потерь рабочего вещества, уменьшение возможности искажения физических параметров пучка и упрощение эксплуатации устройства,Как известно, при сравнительно небольших амплитудах ультразвуковых колебаний, на поверхности твердых тел, за счет высокой - десятки килогерц - частоты колебаний, возникают большие величины ускорений, которые, оказывается, достаточны для разрушения нанесенных на колеблющуюся поверхность покрытий.Важным преимуществом использования ультразвуковых колебаний в предлагаемом устройстве является то, что в этом случае осажденное покрытие "стряхивается" в виде макрочастиц, которые скапливаются по ходу работы под скиммером. Использованное рабочее вещество оказывается локализованным в камере источника(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ "ФОРМИРОВАНИЯ И СЕПАРАЦИИ ПУЧКА ЧАСТИЦ НЕЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ(57) Использование: управление пучками частиц, в частности фундаментальные исследования по строению атомов и молекул. Сущность изобретения: в устройстве используется новый оригинальный принцип очистки поверхности скиммера от осаждаемых рабочих веществ с помощьюультразвука, 1 з. п, ф-лы, 1 ил. и может быть легко и практически полностью собрано для повторного использования и увеличения безопасности работы стоксичными веществами, Следовательно,уменьшаются безвозвратные потери рабочего вещества и упрощается эксплуатацияустройства,Следствием использования ультразвуковых колебаний для очистки скиммера является отсутствие необходимостиподдерживать его при высокой рабочей температуре.Как уже отмечалось, с повышением температуры скиммера увеличивается деструктивное влияние на физические параметрыпучка процесса рассеяния частиц набегающего потока (далее - частицы сорта а) начастицах диффузного газового облака передвходным отверстием скиммера (далее - частицы сорта Ь).Результат такого рассеяния можнооценить исходя из среднего числа испытанных молекулой столкновений - 7,ь и среднего угла отклонения в одном столкновении -а 1, Из-за диффузного характера рассеяния,величина среднего угла рассеяния - а 7 заЕаь столкновений есть:а 7= а 1(2 аь) . ЮСреднее число столкновений 2 аь и средний угол отклонения в одном столкновении а 1, как оказывается, зависят от температуры диффузного газового облака перед входным отверстием скиммера - т. которая, в свою очередь, равна температуре скиммера, Действительно, среднее число столкновений 2 ь зависит от отношения средних скоростей сталкивающихся частиц ч, и чь и от плотности частиц перед входным отверстием пь; г.ь+ -пьЩ.А 1/2(2) 15 Входящая в выражение (2) величина средней скорости чь связана с температурой скиммера известным соотношением: 20чь = (83 сТ/л пь), Р) 1-1/ак-чьц 1+ - 3"д 1 1+ - ) 1 16)Ч 2 а Ча40 из которого видно, что в практически интересном случае ча- чь интенсивность падает с возрастанием ч, и, следовательно, температуры скиммера. К тому же, как вытекает 45 из (5), с увеличением температуры скиммера увеличивается угловой разброс пучка и уменьшается его монохроматичность;д ч/чь = ча з 1 п а дч = эп а -а , (7)Таким образом, в предлагаемом устрой стве уменьшается возможность искажения физических параметров формируемого пучка, поскольку предлагаемый механизм очистки поверхности скиммера не связан с применением повышенной температуры, как это имеет место в прототипе.Для дополнительного увеличения эффективности очистки в предлагаемом устройстве ультразвуковой преобразователь составлен из нескольких частей, для питаа плотность пь при постоянной величине набегающего потока пропорциональна;пь 1 чь 1/(Т)" . (4) 25Зависимость среднего угла отклонения в одном столкновении а 1 от температуры Т, для случая п 1 ал 1 ь, достаточно просто можно оценить из предположения об упругом столкновении твердых шариков: 30а 1- - 1+ - , . (5)Используя выражения (1) - (5) получаем соотношение, описывающее зависимость интенсивности сформированного пучка 1 от 35 скорости чь (или от температуры скиммера): ния которых используются сдвинутые по фазе высокочастотные напряжения,В этом случае возбуждаются ультразвуковые колебания типа бегущей волны, когдаузловые линии перемещаются по очищаемой поверхности. Следовательно на поверхности скиммера отсутствуют зоны,постоянно находящиеся при нулевой амплитуде колебаний, эффективность очисткикоторых ниже.Для пояснения принципа работы предлагаемого устройства, обратимся к изображенному на чертеже варианту конструкцииопытного образца, разработанного для формирования пучка молекул радикала Ры, где1 - поток частиц, 2 - корпус скиммера, 3 -отверстие с острой кромкой, 4 - пучок частиц, 5 - ультразвуковой преобразователь,Работает устройство следующим образом,Поток частиц 1 (см. чертеж) направляется на корпус скиммера 2. Прошедшая черезотверстие с острой кромкой 3 приосеваячасть потока, предельно мало изменяя своипараметры, образует пучок 4 частиц, Остальная часть потока (приблизительно 99 %от исходного потока) огибает скиммер снаружи, При наличии в потоке частиц нелетучих соединений происходит их осаждениена острой кромке и на прилегающей к осивнешней поверхности корпуса скиммера.Образуется "шуба", которая, если от нее неизбавляться, будет менять физические параметры пучка, В отличие от прототипа, вкотором осажденное рабочее вещество распыляют за счет повышенной температурыскиммера, безвозвратно теряя при этом основную его массу и изменяя физические параметры пучка, в предлагаемом устройстведля его очистки и устранения указанных недостатков используют ультразвуковые колебания корпуса. Ультразвуковые колебаниякорпуса скиммера возбуждаются с помощью ультразвукового преобразователя -5, прикрепленного к внутренней поверхности корпуса скиммера с помощью электропроводящего клея, Металлизированнаявнутренняя поверхность преобразователяразделена на четыре равных сегмента, образующих, таким образом, четыре отдельных преобразователя, каждый из которыхсоединен ( относительно корпуса) с однимиз выходов источника питания,вырабатывающего четыре высокочастотных напряжения с фазами Оо, 90 О, 180 и 270 и счастотой, соответствующей резонансной частоте колебаний скиммера. Для простотывосприятия источник высокочастотных напряжений на чертеже не показан,С точки зрения теории колебаний, корпус скиммера представляет собой конусную оболочку конечной толщины, Резонансная частота колебаний оболочки зависит от многих параметров, в том числе от радиуса и толщины оболочки, Точна настройка на нужную моду колебаний осуществляется подстройкой частоты источника высокочастотных напряжений.Итак, за счет ультразвуковых колебаний осажденная на поверхности "шуба" из рабочего вещества разрушается и осыпается в виде макрочастичек. Отлетевшее рабочее вещество легко и практически полностью собирается для повторного использования в подставленную под скиммер емкость.В качестве примера конкретной реализации предполагаемого изобретения рассмотрим предварительные результаты, полученные с опытным образцом, схематически показанным на чертеже. Данный образец разработан, как упоминалось выше, для формирования пучка молекул радикала РЫ, необходимого для проведения готовящихся в ЛИЯФ фундаментальных экспериментов по поиску эффектов нарушения временной инвариантности в молекулах,Из приосевой части потока, состоящего из смеси газа-носителя и термализованных в нем частиц рабочего вещества РЫ, скиммер формирует пучок молекул РЫ, Не попавшие в пучок молекулы нелетучего рабочего вещества РЫ осаждаются на внешней поверхности скиммера. Если не используется очистка, то образующаяся на скиммере "шуба" примерно за три часа полностью перекрывает его входное отверстие.Конический корпус скиммера 2 (см. чер- теж) с острой кромкой 3 состоит из рабочей части и основания, соединенных тонкой оболочкой, толщина которой меньше 0,02 мм. Основание имеет резьбу для установки скиммера, Тонкая оболочка используется для уменьшения влияния на колебательные свойства скиммера присоединительных деталей и уменьшения потерь ультразвуковой мощности. Корпус скиммера изготовлен из титана, а ультразвуковой преобразователь 5 - из пьезокерамики ПКРМ, Внешний угол раствора скиммера 60, внутренний - 33, диаметр входного отверстия - 1 мм, толщина и микронеровности острой кромки меньше, чем 0,02 мм.Исследования показали, что максимальная эффективность очистки получается при возбуждении в рабочей части скиммера колебаний типа "бегущей волны" с узловыми линиями вдоль образующих конуса. Такая мода колебаний соответствует колебаниям формы поперечного сеченияскиммера. Разрушение и удаление покрытия из осажденного на поверхности скиммера рабочего вещества происходит практически мгновенно после настройки на резонанс и может осуществляться либо непрерывно, либо эпизодически, в зависимости от конкретной задачи,Специального охлаждения скиммера не предпринималось и он работал при комнатной температуре -300 К. Тем не менее, даже в этом случае наблюдалось согласующееся с выражением (6) увеличение интенсивности пучка по сравнению с прототипом, рабочая температура которого - .900 К. Поскольку средняя скорость диффузно рассеянного от скиммера газа-носителя К 2 при 900 К - 760 м/с, а при 300 К - 450 м/с, то, согласно выражению (6), выигрыш (при уменьшении температуры) в интенсивности составляет приблизительно 30, В свою очередь, угловое распределение рассеянных частиц и связанная с этим монохроматичность улучшаются, согласно (2), приблизительно на 15Такое устройство может найти широкое применение в массспектрометрии для исследований в области кинетики химических реакций, лазерной химии и т, п. Его использование может способствовать дальнейшему прогрессу экспериментов на молекулярных пучках по измерению моментов атомов, молекул и ядер, фундаментальных экспериментов по поиску эффектов несохранения пространственной и временной инвариантности в атомах и молекулах.Формула изобретения 1. Устройство для формирования и сепарации пучка частиц нелетучих соединений, содержащее корпус в виде полого усеченного конуса, снабженного при вершине отверстием с острой кромкой, и средства очистки устройства от осадившихся веществ, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения искажения физических параметров пучка за счет повышения эффективности процесса очистки, введены ультразвуковой преобразователь и связанный с ним источник высокочастотного напряжения, причем ультразвуковой преобразователь размещен внутри корпуса, а корпус выполнен из материала с высокой добротностью для ультразвуковых колебаний. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2. Устройство по п,1, отл и ч а ю щ е ес я тем, что ультразвуковой преобразователь выполнен из нескольких частей, каждая из которых соединена с отдельным источником высокочастотных колебаний. сдвинутым по фазе относительно других источников.1805505Составитель Н.ПопТехред М,Моргентал едакторрректор И Муска аказ 945 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Рэущская наб 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент",од, ул. Гагарин