超声喷流Ar团簇生长演化过程及团簇尺寸轴向分布的实验研究

针对特定形式的喷嘴产生的Ar气体团簇,利用瑞利散射法研究了团簇的生长演化过程,测量了不同背压下空间轴向上的团簇尺度,得到了团簇尺寸随轴向距离与背压的关系.实验发现,在20—60 atm（1 atm=1013 kPa）背压范围内,距离喷嘴出口5 mm处,Ar团簇尺度最大. 关键词： 超声喷流 Ar团簇 瑞利散射 团簇尺度     

飞秒强激光场中大尺寸氩团簇爆炸机理的实验研究

利用飞行时间谱，研究了在飞秒强激光场（60 fs，2×1016 W/cm2）作用下，大尺寸氩原子团簇Arn（n—=3×103—3×106原子/每团簇）的电离爆炸过程，测量了 团簇爆炸所产生的氩离子的平均能量与团簇尺寸（气体背压）的关系.实验发现，随着气体 背压的升高（团簇尺寸增大），氩离子的平均能量也相应升高.通过分析两个不同几何尺寸 锥形超声喷嘴所产生团簇爆炸后的离子能量，结合Hagena团簇尺寸规律，发现在激光参数保 持不变的情况下，离子的平均能量由团簇尺寸唯一确定.分析表明，团簇尺寸在3×105原 子/每团簇以下时，团簇膨胀的主要机理是库仑爆炸.随着团簇尺寸的进一步增大，团簇膨胀 机理将由库仑爆炸向流体动力学膨胀过渡，在3×105关键词： 原子团簇 飞秒强激光 库仑爆炸 流体动力学膨胀     

瑞利散射法研究超声喷流二氧化碳团簇尺度轴向分布

针对特定尺度的小锥喷嘴,用瑞利散射方法研究了超声喷流二氧化碳团簇的瑞利散射信号S和团簇尺度N的轴向分布.实验发现,散射信号强度的对数ln(S)随着轴向距离Z的平方根的增大线性减小,团簇尺度最大位置出现在距喷嘴轴向距离4 mm附近,在背压6—17 bar范围内散射信号S与背压P满足S∝P^3.6—4.2,测量到最大的团簇约为1.6×10⁴分子/团簇. 关键词： 二氧化碳团簇 轴向分布 团簇尺度 瑞利散射     

高背压超声气体团簇喷流中团簇平均尺寸沿喷流方向演化研究

本文通过对高背压(50 bar, 1 bar = 1.0×10⁵ Pa)氩气经长锥型喷嘴(长度L=30 mm)向真空绝热膨胀所形成的超声气体团簇喷流的数值模拟, 分析比较了由喷嘴喉口起沿喷流方向在喷流中心轴线上团簇平均尺寸的演化情况. 结果表明: 沿喷流方向团簇平均尺寸显示先增长后趋于饱和的变化趋势, 具有较大尺寸团簇的区域出现在距离喷嘴喉口大约20 mm. 据此本文再结合关于喷流中原子密度沿喷流方向变化的模拟结果开展了锥形喷嘴长度的优化研究. 针对由常见构型的锥形喷嘴(喉径～ 0.5 mm, 半张角～ 8.5°)在高背压下形成的团簇喷流, 20 mm左右的长度为锥形喷嘴的适宜长度.     

低温高背压氘团簇源特性研究

为了产生大尺度氘团簇用于与强激光相互作用研究，研制了低温高背压团簇源.利用瑞利散射法对团簇尺度与气体背压相关性和团簇的形成演变过程进行了研究.得到团簇尺度N_c随背压的指数变化关系为N_c∝P^2.89₀，当气体温度为80K，背压P₀为48×10⁵Pa时，氘团簇尺度N_c≈2630，并得到了团 关键词： 氘团簇 团簇源 瑞利散射 激光与团簇相互作用     

甲烷团簇与氘团簇的团簇源特性比较

利用瑞利散射法测量了特定喷嘴产生的甲烷团簇及氘团簇的大小随背压的变化曲线。将团簇大小的实验值与Hagena理论进行了比较,当背压超过3MPa时,两种团簇的实验值都明显高于理论值。实验发现,特定喷嘴在相同的背压下,常温(298K)甲烷团簇尺寸小于低温(80K)氘团簇尺寸,而甲烷团簇中氢原子数至少是氘团簇中氘原子数的1.98倍。     

静态真空对超声喷流气体团簇制备的实验研究

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.     

瑞利散射测量氢团簇尺寸实验

具有液氮温度和适度压强的氢气通过S99阀门Laval喷嘴进入真空，经超声绝热膨胀形成团簇。本实验用瑞利散射法测量氢团簇尺寸随阀门背压强的变化曲线。当背压为1．0MPa时，每个氢团簇平均包含250个氢原子。     

超声喷流氩氢混合团簇特性研究

利用瑞利散射方法研究了超声喷流Ar-CH4混合团簇和超声喷流Ar-H2混合团簇的特性.通过测量不同混合比例和不同背压下所形成混合团簇的散射信号发现,当用Ar气和CH4的混合气体进行超声喷流时很容易形成Ar-CH4混合团簇,当Ar气含量为50%时混合团簇尺度最大且大于相同气压下纯Ar团簇尺度和纯CH4团簇尺度.实验发现,与纯H2团簇只能在低温条件下获得不同,常温下即可形成Ar-H2混合团簇,实现了常温下含氢团簇的获取,从而有效降低了制备成本.在H2含量大于40%时混合团簇开始形成并在60%时达到最大尺度.含氢(氘)混合团簇在氢(氘)团簇的基础上引入了更重的异核Ar元素,在激光氘团簇聚变实验中它将进一步加速氘离子从而获得更高的能量,并具有更高的中子产额和聚变效率.     

气体团簇离子束装置的设计及其在表面平坦化、自组装纳米结构中的应用

根据超声膨胀原理,n(10-10^4)个气体原子可以绝热冷却后凝聚在一起形成团簇,经过离化后,形成带一个电荷量的团簇离子,比如Arn^+.当团簇离子与固体材料相互作用时,由于平均每个原子携带的能量(~eV)较低,仅作用于材料浅表面区域,因此,气体团簇离子束是材料表面改性的优良选择.本文介绍了一台由武汉大学加速器实验室自主研制的气体团簇离子束装置,包括整体构造、工作原理及实验应用.中性团簇束由金属锥形喷嘴(F=65-135μm,q=14°)形成,平均尺寸为3000 atoms/cluster,经离化后,其离子束流达到了50μA.Ar团簇离子因其反应活性较低,本文运用Ar团簇离子(平均尺寸为1000 atoms/cluster)进行了平坦化和自组装纳米结构的研究.单晶硅片经Ar团簇离子束处理后,均方根粗糙度由初始的1.92 nm降低到0.5 nm,同时观察到了束流的清洁效应.利用Ar团簇离子束的倾斜(30°-60°)轰击,在宽大平坦的单晶ZnO基片上形成了纳米波纹,而在ZnO纳米棒表面则形成了有序的纳米台阶,同时,利用二维功率谱密度函数分析了纳米结构在基片上的表面形貌和特征分布,并计算了纳米波纹的尺寸和数量.     

An Experimental Observation of Axial Variation of Average Size of Methane Clusters in a Gas Jet

Axial variation of average size of methane clusters in a gas jet produced by supersonic expansion of methane through a cylindrical nozzle of 0.8 mm in diameter is observed using a Rayleigh scattering method. The scattered light intensity exhibits a power scaling on the backing pressure ranging from 16 to 50bar, and the power is strongly Z dependent varying from 8.4 （Z = 3mm） to 5.4 （Z = 11mm）, which is much larger than that of the argon cluster. The scattered light intensity versus axial position shows that the position of 5mm has the maximum signal intensity. The estimation of the average cluster size on axial position Z indicates that the cluster growth process goes forward until the maximum average cluster size is reached at Z - 9 mm, and the average cluster size will decrease gradually for Z 〉 9 mm.     

气体靶密度的数值计算与实验研究

 采用了1维简单模型来模拟气体靶的空间密度分布情况，并且该计算值得到了实验的验证。使用M-Z干涉仪诊断锥型喷嘴喷射的气体靶密度分布，得到了不同压力和不同延时下的干涉图样。自行编写了实验数据处理程序，得到了不同情况下气体密度的空间分布。在相互作用实验中，由气体分子密度随压力的变化，可以确定合适的压力，以获得预期的气体靶密度；由气体分子密度随时间的变化，可以确定激光与气体的作用时刻。     

High-intensity femtosecond laser absorption by rare-gas clusters

The energy absorption efficiency of high-intensity (～10^{16}W/cm^2) femtosecond laser pulses in a dense jet of large rare-gas clusters has been measured. Experimental results show that the energy absorption efficiency is strongly dependent on the cluster size and can be higher than 90%. The measurement of the ion energy indicates that the average ion energies of argon and xenon can be as high as 90 and 100keV, respectively. The dependence of the average energy of the ions on the cluster size is also measured. At comparatively low gas backing pressure, the average ion energies of argon and xenon increase with increasing gas backing pressure. The average ion energy of argon becomes saturated gradually with further increase of the gas backing pressure. For xenon, the average ion energy drops a little after the gas backing pressure exceeds 9 bar (3.2×10^5 atoms/cluster). The result showing the existence of a maximum average ion energy has been interpreted within the framework of the microplasma sphere model.     

Pulsed Gas Jet for Large Size Atomic Cluster Production

A pulsed gas jet of large size noble gas atomic clusters as targets for high intensity femtosecond laser pulses is reported. The jet can work for gas stagnation pressure in excess of 40 atmospheres and with a repetition rate of 10 Hz to fit 10 Hz table-top terrawatt femtosecond Ti∶Sapphire laser. The scaling law indicates that the monomer argon clusters produced in the jet can be as large as 22,000 atoms/cluster at room temperature. Preliminary experiments for argon ionic kinetic energy spectrum indicated that the argon clusters are produced in the jet.     

Pulsed Gas Jet for Large Size Atomic Cluster Production

１　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｍｕｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｍａｄｅｉｎｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｎｓｅｌａｓｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｍａｔｔｅｒｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｃｈｉｒｐｅｄｐｕｌｓｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＣＰＡ）ｈａｖｅａｐｅａｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆ１０１４～１０１９Ｗｃｍ－２ａｎｄｐｕｌｓｅｄｕｒａｔｉｏｎｓｈｏｒｔｅｒｔｈａｎ１００ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｓ［１,２］．Ｔｈ…     

Rayleigh Scattering Experiment for the Measurement of Hydrogen Cluster Size

The hydrogen clusters are produced at liquid nitrogen temperature in a supersonic adiabatic expansion of moderate backing pressure gases into vacuum through a Laval nozzle and their averaged size are measured by Rayleigh scattering. The average cluster size N^-c is about 250 hydrogen atoms at a backing pressure 1.0 MPa in these measurements.     

Cluster formation processes investigated by linearly chirped spectral scattering

By employing linearly chirped spectral scattering technique, the time-resolved formation processes of argon clusters have been investigated. The redshifts of scattering spectra as a function of backing pressure as well as the time delay between the laser and the firing switch of the cluster flow have been measured. It has been found that very large-size cluster sources with very low gas density can be produced by adiabatic expansion of gases at low pressures through a conical nozzle into vacuum. It can be used as clean and important cluster target.