电子束激发原子对金属蒸发的影响

在原子蒸气激光同位素分离工程(AVLIS)中,金属受电子束的加热而熔化,并向真空蒸发,蒸气原子通过电子束的过程中,可能与电子发生非弹性碰撞,被激发到高能级.在膨胀的过程中,高能级的原子通过与原子的非弹性碰撞消激发,将原子内的电子能量转换为蒸气的平动能.为了分析电子束与原子作用对蒸气的密度、速度和温度等物理特性的影响,采样直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)模拟钆原子蒸发过程.模拟结果表明,电子束与原子的作用使得原子蒸气的速度增加,密度减小,温度升高 关键词： 金属蒸发 AVLIS DSMC 电子枪     

背景气体对金属原子二维平面蒸发过程的影响

在原子蒸气法激光分离同位素中,金属原子蒸气宏观物理性质的空间分布会直接影响到分离过程的电离率和原料利用率.本文从分离过程的实际需求出发,建立了双组分气体的Bhatnagar-Gross-Krook模型方程组,并利用数值计算方法对方程进行求解,研究了背景气体对二维平面蒸发过程中原子蒸气宏观物理性质和蒸发速率的影响.研究结果表明:随着背景气体密度的增加,远离蒸发源位置处的金属原子蒸气密度增大,速度减小,温度升高,而近蒸发源位置处原子蒸气的性质则几乎不受影响,因而蒸发速率基本上不随背景气体密度发生变化.另外,随着尾料板温度的升高和对原子蒸气吸收率的增加,金属原子蒸气宏观物理性质受背景气体的影响逐渐下降.理论计算的结果对于分离装置的真空设计和光斑分布设计有较为重要的参考意义.     

考虑液面凹陷时金属熔化与蒸发的数值研究

将关于液面凹陷的Young-Laplace方程与关于金属溶池的流体力学方程组及关于金属蒸发的ＢＧＫ方程联立求解，在给定的电子枪加热条件下，获得了熔池流场和温度场图像及金属蒸气密度、速度和温度分布.数值计算结果表明，随电子枪功率增加，金属的蒸发速率增加，蒸气的密度增大、温度降低而速度升高.与假设液面为平面的情况相比，考虑液面凹陷后求得的液面温度较低，金属的蒸发速率较小，并且这种差别随电子枪功率的增加而扩大.因此对于高功率电子枪加热金属蒸发，必须考虑液面凹陷的影响才能得到符合实际的结果. 关键词： 液面凹陷 Young-Laplace方程 熔池 金属蒸发     

冷热坩埚中电子枪加热金属熔池的数值分析

利用NavierStokes方程在一定的边界条件下求解了电子枪加热长槽形冷、热坩埚中的二维熔池流场,获得了熔池流场的速度和温度分布,并且详细地对比研究了冷、热坩埚中金属熔池的蒸发量与电子枪功率、束宽以及坩埚尺寸的关系.电子枪功率越高、束宽越小(除非小于05mm)、坩埚尺寸越大,则蒸发量越大,电子枪能量的有效利用率也越高.当电子枪束宽较大时,热坩埚的蒸发量较大,而当束宽较小时,冷坩埚的蒸发量较大.计算中对铁、铜、钆和铝等金属熔池进行了数值分析,获得了相似的结果. 关键词： NavierStokes方程 热毛细流 浮力流 金属熔池     

计及溅射损失的平行板静电场法离子引出和收集

采用粒子模拟-Monte Carlo碰撞(particle in cell_Monte Carlo collision)方法研究了 原子蒸气激光同位素分离工程中一维平行板静电场法离子引出和收集过程，记录引出离子的 能量分布和角度分布，计算离子在收集板上造成的溅射损失.模拟结果表明，增加引出电压 可以缩短引出时间，降低碰撞损失，但是增加了溅射损失，使得收集率降低；增加电子温度 可以缩短引出时间，提高收集率；增加初始等离子体密度将使引出时间增加，收集率降低；而目标同位素丰度较高的情况下，离子引出过程的碰撞损失 关键词： 原子蒸气激光同位素分离 离子引出 溅射     

厚原子蒸气介质中原子选择性光电离的理论研究

激光在厚原子蒸气介质中传播时会产生脉冲形变和延迟现象,这会直接影响原子多步光电离过程中的电离率和选择性.从原子蒸气激光同位素分离的实际出发,对厚原子蒸气介质中的原子光电离过程进行了研究,利用密度矩阵方法描述原子的光电离过程,利用Maxwell方程描述激光在厚介质中的传播,建立了介质中同时存在两种同位素的激光传播电离方程组,考察了原子蒸气参数和激光参数对厚介质中平均电离率和平均选择性的影响.研究结果表明:对于较厚的原子蒸气介质,激光功率的增加使平均电离率升高,平均选择性下降;对于相对较薄的介质,适当地降低激光功率可以同时提高平均电离率和平均选择性.存在一个正的激光延时使原子蒸气中目标同位素的平均电离率达到最大.尽量延长激光脉冲的宽度不仅可以同时提高目标同位素的平均电离率和平均选择性,还可以降低对激光脉冲之间相对延时的控制精度.     

基于气体放电等离子体射流源的模拟离子引出实验平台物理特性

离子引出过程是原子蒸气激光同位素分离中非常重要的物理过程之一,而其中关键的等离子体参数(等离子体初始密度和电子温度等)均会对离子引出特性产生影响.基于千赫兹电源驱动的氩气高压交流放电等离子体射流源,建立了离子引出模拟实验平台-2015 (IEX-2015),开发了用于诊断氩等离子体参数的"碰撞-辐射"模型,对等离子体射流区的电子温度和电子数密度等关键参数进行了测量.结果表明,电源输入功率和驱动频率以及工作气体流量均会对等离子体射流区的电子温度和数密度产生影响;在真空腔压强为10~(-2)Pa量级下,射流区电子数密度和电子温度的可调参数范围分别为10~9—10~(11)cm~(-3)和1.7—2.8 e V,这与实际离子引出过程中的等离子体参数范围相近.在此基础上,开展了不同引出电压、极板间距和电子数密度条件下初步的离子引出实验,所得到的离子引出电流变化规律亦与实际原子蒸气激光同位素分离中的离子引出特性定性一致.上述研究结果验证了在IEX-2015上开展离子引出模拟实验的可行性,为后续深入开展离子引出特性的实验研究准备了良好的条件.     

微通道内光热相变驱动流体运动特性研究

本文通过可视化实验,对微通道内光热效应致相变驱动流体运动特性进行了研究,通过红外聚焦激光跟随微通道内液柱气液界面进行加热持续产生的蒸发冷凝-聚合过程对液柱进行连续驱动。实验研究了激光功率、加热点位置对相变过程中的界面行为、冷凝液滴分布、驱动速率的影响规律。结果表明,激光功率越高,光斑距离界面越近,液柱蒸发速率越大,蒸汽浓度高,冷凝液滴分布越密集,驱动流体流动速度越快。     

激光—原子作用区原子束内温度的确定

原子束内温度的概念首先是由R.W.Solarz在文献[1]中引入的.它与统计力学及热力学中所说的热力学温度的含义基本一致.它是为了区别与大量气体分子平移速度相对应的平移温度而提出的.由于原子束内温度直接决定着原子与激光作用前原子在基态及其他能级的热布居数,因而在原子蒸气激光同位素分离工程(AVLIS)总体参数设计上占有极其重要的地位. 美国R.W.Solarz在文献[1]中首先指出,对Gd元素,当其熔化且液体表面温度为2500K,原子蒸气经过25cm距离以上的飞行时,原子束内温度可下降到800±200 K,原子飞行速度可达1000 m/s左右,由于他没有给出详…     

激光会聚铬原子光栅三维特性分析

采用近共振激光驻波场会聚铬原子沉积技术制作的原子光栅可以作为纳米级长度计量标准.基于粒子光学模型,综合考虑横向发散角、纵向速度分布以及同位素等影响因素,采用蒙特-卡罗方法确定原子运动的初始条件,对激光驻波会聚原子的三维特性进行了研究.获得了不同激光功率下沉积条纹的三维结构,分析了纵向高斯激光分布和椭圆高斯激光截面对沉积...     

临近声速气流条件下电子束空气等离子体特性

为了研究高速动态气流中的电子束等离子体特性,建立了一个由蒙特卡罗模型、多组分等离子体模型与计算流体力学模型组成的多阶段耦合数值模型,在临近声速气流条件下,对1.33×104 Pa空气电子束等离子体特性进行了研究。结果表明,电子束能量沉积具有极强的空间不均性,电子束激发下的风洞流场呈现不同的性质,亚声速流场下游边界区密度减小,而在超声速流场中可诱发弱激波;相比于静止气体,在动态气流中等离子体密度下降,且存在额外的输运行为,使其向气流下游输运,但在临近声速条件下,气流速度大小对气流下游等离子体分布的影响不大;电子束入射角对等离子体空间分布和大小均有影响。     

The Hydrogen Dissociator

A performance analysis is presented for the hydrogen dissociator used in hydrogen masers to provide a beam of atomic hydrogen. An analysis of the discharge characteristics yields relations for electron temperature as a function of vessel size and gas pressure and for plasma density as a function of power input. Also a relation between ion impact energy at the wall and electron temperature is derived. For a typical dissociator (2" diameter, 0.1 Torr hydrogen pressure, and 4 watt input power) these relationships yield an electron temperature of 39,000°K, a plasma density of 1011 cm-3 and an ion impact energy of 20 volts. The dissociation rate is calculated using published cross-sections. Assuming a recombination rate of 4 × 10-3, the analysis yields an atomic hydrogen density of about 1014 cm-3, a degree of dissociation of 2%, and an atomic beam flux of 1.3 × 1018 cm-2 × sec-1 for the example quoted. This beam flux is in good agreement with estimated values for hydrogen masers. A coefficient for performance ? is derived for the hydrogen dissociator, defined as the ratio of atomic beam flux to discharge power consumption. It is shown that ? is a function of the electron temperature and has a maximum at 87,000°K. It is concluded from this analysis that the discharge in presently used hydrogen dissociators is well optimized given the pressure constraints of the system.     

Elimination of styrene vapor from air by a pulsed electron beam

Styrene vapor contained in air in small amounts is decomposed when the air is subjected to a pulsed electron beam and non-self-maintained space discharge. The physical laws of the process and the final products of styrene vapor conversion are found. Experimental data make it possible to consistently describe the styrene vapor elimination from air exposed to a pulsed electron beam and relate the beam parameters to the properties of the gas flow being irradiated.     

Theoretically study on measurement of velocity distribution by means of laser induced fluorescence

Based on two-level atomic density matrix movement equation and emitting operator, the physical model is established for laser induced moving atomic resonant fluores cence. Theoretically study showsthat the measurement of atomic velocity distribution by means of laser induced fluorescence is only valid when the physical factors, such as atomic natural line width, laser power, laser line width, is suitably selected.     

Inverse Bremsstrahlung absorption coefficient in inhomogeneous plasma with nonextensive electron velocity distribution and Tsallis exponential electron density profile

Inverse bremsstrahlung (collisional) absorption of the laser beam is studied in plasma with a generalized (q-nonextensive) electron velocity distribution and some kind of generalized electron density profile. It is shown that for some values of parameters designating the q-nonextensive electron velocity distribution function and its generalized density profile, the calculated absorption coefficient reduces to the already known cases with Maxwellian velocity distribution with linear and exponential density profiles.