一種亞穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)能粒子-SiO(b³П)的合成裝置的制作方法

專利名稱：一種亞穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)能粒子-SiO(b³П)的合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫合成亞穩(wěn)^i諸能粒子Sio(b3n)的裝置。它的主要用途是合成高濃度的SiO(b3n)儲(chǔ)能粒子，為Na、 Tl、 Ga等原子激光器提供能源。該裝置的最大特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定且易于放大。該裝置的成功建立， 為Na、 Tl、 Ga等原子激光飄開(kāi)究提供了lt^條件。特別是Na原子激光器，是目 前激光f!5開(kāi)究的一個(gè)熱點(diǎn)。
技術(shù)背景上世紀(jì)80年代，研究人員就發(fā)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的sio (b3n)是一種很好的儲(chǔ)能粒子，其能量接近3.5eV，壽命在10ms量級(jí)。實(shí)^i正實(shí)SiO(b3n)可以與Tl (535皿)、 Ga (417nm)、 Na (569、 616 nm)等原子發(fā)生高效的近共振傳能并將這些原子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)。研究表明Na原子與SiO(b3n)的近共振傳能是最容易實(shí)na最有效的。由此形成了鈉原子化學(xué)激光的概念，其最佳發(fā)光波長(zhǎng)在569nm，屬于可 見(jiàn)波段。目前存在的化學(xué)激光都處在紅外波段，因此鈉原子化學(xué)激光延伸了目前 化學(xué)激光的波長(zhǎng)范圍，也表現(xiàn)出了一些獨(dú)特的應(yīng)用前景。SiO(b3n)是納原子化學(xué)激光的能源。如何簡(jiǎn)單、高效地合成SiO(b3n)是目 前研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)氣相單質(zhì)硅原子和即反應(yīng)生成Sio(b3n)是目前最常用的方法。在以往的大部分研究中，氣相Si原子都是通過(guò)蒸發(fā)單質(zhì)Si產(chǎn)生的。 這種方法的主要缺點(diǎn)是需要的，過(guò)高(超過(guò)160(TC)，而且產(chǎn)生的Si原子的濃 度低。少數(shù)幾個(gè)研究SiO光譜的實(shí)驗(yàn)中，使用了不同的裂解SiH4的方法來(lái)獲取氣相Si原子，其中包括直流放電解離和激波解離，這兩個(gè)方法共同的問(wèn)題^x隹于控制、產(chǎn)物復(fù)雜、光譜測(cè)試干擾大。為了避^J:述方法的局限，美國(guó)人J. M. St印hens通過(guò)熱解s諷產(chǎn)生si原子，建立了一禾中易于控制和放大的Sio(b3n)合成實(shí)驗(yàn)裝置。但是J.M. St印hens的裝置對(duì)材半接求嚴(yán)格，成^高且難以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明 在J.M. St印hens技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)結(jié)構(gòu)完全不同的裝置，成功合成了高濃度的sioom)粒子。同時(shí)該裝置對(duì)材料的要求較低，易于實(shí)現(xiàn)，而且操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。該裝置的建立為相應(yīng)的金屬原子激光f^寺別是Na原子激光器 的研究奠定了基礎(chǔ)。Na原子激光器的工作原理如下7Va(4t/2/)) — 7Va(3; 2尸)+ V(569畫(huà))(1)(3)(4)反應(yīng)(i)產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)的SiO(a3s+， b3n)，該反應(yīng)的量子效率很高且b3n占絕對(duì)多數(shù)。SiO( b3n)與Na原子的基態(tài)3s2S發(fā)生近共振傳能將基態(tài)鈉原子泵浦到 4d2D能級(jí)(式2)。隨后，Na(4cfD)發(fā)生自發(fā)輻射和受激輻射，發(fā)出569醒的激光(式 3、 4)。 Na原子激光器的發(fā)光波長(zhǎng)位于可見(jiàn)區(qū)域，目前在很多領(lǐng)域有著迫切的應(yīng) 用需求，因此Na原子激光器是目前激光器研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本發(fā)明對(duì)于Na原子 激光器的實(shí)驗(yàn)研究甚至以后的商品化開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明的目的在于提供一種方便快捷的合成SiO( b3n)粒子的裝置。通過(guò)該裝置可以合成高濃度的亞穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)能粒子SiO( b3n)，并且可以實(shí)時(shí)測(cè)到該粒子的鄉(xiāng)fe^農(nóng)度。該裝置可以作為將來(lái)Na、 Tl、 Ga等原子激光器的能源部件。 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為 一種亞穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)能粒子一Si0(b3n)的合成裝置，包括S迅儲(chǔ)氣瓶、氦氣儲(chǔ)氣瓶、&0儲(chǔ)氣瓶、載氣儲(chǔ)氣瓶、高溫?zé)峤鉅t、透鏡和光譜儀，高溫?zé)峤鉅t為管式結(jié)構(gòu)，其由外向內(nèi)依次為整體的不銹鋼密封外殼、石棉保溫層和SiC管高溫爐膛，在爐膛的中部軸向設(shè)置有熱電偶，在爐膛的SiC管外壁上纏繞有高溫電熱絲；SiH4儲(chǔ)氣瓶和氦氣儲(chǔ)氣瓶通過(guò)管路經(jīng)氣體混合器與高溫?zé)峤鉅t的氣體入口相連，在高溫?zé)峤鉅t的氣體出口外側(cè)設(shè)置有N20及其載氣的噴嘴，噴嘴通過(guò)管路經(jīng)氣體混合器與即儲(chǔ)氣瓶和載氣儲(chǔ)氣瓶相連，即與高溫?zé)峤鉅t氣體出口的主氣流相交反應(yīng)，形成反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)的夕M則沿高溫?zé)峤鉅t的徑向設(shè)置有觀測(cè)筒，觀測(cè)筒內(nèi)為測(cè)試區(qū)域，觀測(cè)筒通過(guò)管路與真空系統(tǒng)連接，觀測(cè)筒外端依次設(shè)置有透鏡和光譜儀，觀測(cè)筒、透鏡和光譜儀光路連接；光譜儀通過(guò)線路與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接c所述熱電偶和高溫電熱絲通過(guò)線路與一溫度控制器電連接；在氣體混合器 與高溫?zé)峤鉅t之間的管路及氣體混合器與噴嘴之間的管路上分別設(shè)置有閥；在 SiH4儲(chǔ)氣瓶、氦氣儲(chǔ)氣瓶、N/)儲(chǔ)氣瓶及載氣儲(chǔ)氣瓶的氣體出口管路上分別設(shè)置發(fā)明內(nèi)容有流量控制器;在高溫?zé)峤鉅t的氣體入口和氣體出口處均設(shè)置有硅橡膠密封墊圈； 在高溫?zé)峤鉅t的氣體出口外側(cè)均勻設(shè)置有即及其載氣的噴嘴。 本發(fā)明的有益效果是1、 通過(guò)本發(fā)明可以很方便地建立一個(gè)合成亞穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)能粒子Sio( b3n)的裝置，為Na、 Tl、 Ga等金屬原子激光研究提供能源。也有可能為將要實(shí)現(xiàn)的商品化 的Na、 Tl、 Ga等金屬原子激光器提供能源部件。2、 本發(fā)明可以同時(shí)檢測(cè)SiO(bSn)自發(fā)輻射光譜，并能給出粒子濃度?？梢怨㏒iO( b3n)的相關(guān)研究提供研究介質(zhì)和相關(guān)數(shù)據(jù)。3、 本發(fā)明不僅可以合成高濃度的SiO(b3n)粒子，而且可以通過(guò)定標(biāo)的測(cè)試 系統(tǒng)，x寸粒子濃度進(jìn)行定量測(cè)量。4:試驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定且易于放大，可以 生成高濃度SiO(b3n)粒子，這為將來(lái)的Na、 Tl、 Ga等原子激光器進(jìn)一步發(fā)展提供了保障。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明測(cè)到的Sio( b3n)自發(fā)輻射譜。 具體實(shí)肺式本發(fā)明通過(guò)一種操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)裝置，合成高濃度的SiO(b3n)粒子。通過(guò)該裝置可以為將來(lái)的Na、 Tl、 Ga等原子激光器提供能源。 包括S諷熱解爐，氣體混M置和測(cè)試系統(tǒng)組成。SiH4高溫?zé)峤鉅t整體密封(密封材料為耐熱硅橡膠)，采用常規(guī)電熱絲加熱; 爐 用常見(jiàn)的SiC管；保MJ1采用石棉填充材料；結(jié)構(gòu)為常規(guī)管式爐結(jié)構(gòu)。爐 體整體鑲嵌在一個(gè)不銹鋼外殼內(nèi)，通過(guò)不f辯R外殼整體密封。爐子進(jìn)口和出口均 由硅橡膠墊圈密封。爐膛(SiC管)外面纏繞電熱絲，電熱絲從爐膛一段均勻纏 至另一端，以保證整個(gè)爐膛內(nèi)部溫度均勻；SiH4熱解爐內(nèi)膽從一端到另一端均被 均勻加熱，爐子盼直溫區(qū)長(zhǎng)度與爐膛長(zhǎng)度基本相當(dāng)。氣體混M置由氣體混合腔，流量控制器，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，和N20噴嘴組成。化0及其載氣的進(jìn)氣口緊貼爐膛出口，而且采用圓周噴射的方式與主氣流混 合。S諷及其載氣從爐膛入口直接進(jìn)入，反應(yīng)氣體和載氣在一個(gè)混合器內(nèi)預(yù)混。 各氣體的流量分別由質(zhì)量流量計(jì)控制。質(zhì)量流量計(jì)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，由計(jì) 算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)觸發(fā)。測(cè)量裝置由透鏡收集系統(tǒng)和光譜儀組成。通過(guò)由計(jì)量院標(biāo)定的氖燈可以x才該測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后的須糧系統(tǒng)可以對(duì)發(fā)光粒子進(jìn)行鄉(xiāng)M^農(nóng)度測(cè)量。通過(guò) 測(cè)量數(shù)據(jù)可以調(diào)節(jié)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)^#，以滿足實(shí)際需求。 如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)如下一種亞穩(wěn)刻諸能粒^^"Sio(b3n)的合成裝置，包括siH4儲(chǔ)氣瓶i、氦氣儲(chǔ)氣瓶2、 N20儲(chǔ)氣瓶18、載氣儲(chǔ)氣瓶19 (氦氣)、高溫?zé)峤鉅tll、透鏡13和光譜儀 12。高溫?zé)峤鉅t11為管式結(jié)構(gòu)，其由外向內(nèi)依次為整體的不銹鋼密封外殼、石棉 保溫層10和SiC管高溫爐膛9，在爐膛9的中部軸向設(shè)置有熱電偶6，在爐膛9 的SiC管外壁上纏繞有高溫電熱絲；S諷儲(chǔ)氣瓶1和氦氣儲(chǔ)氣瓶2通過(guò)管路經(jīng)氣體混合器4與高溫?zé)峤鉅t11的 氣體入口相連，在高溫?zé)峤鉅tll的氣體出口外側(cè)均勻設(shè)置有即及其載氣的噴嘴 14，噴嘴14通過(guò)管路經(jīng)氣體混合器4與即儲(chǔ)氣瓶18和載氣儲(chǔ)氣瓶19相連，N20 與高溫?zé)峤鉅t11氣體出口的主氣流相交反應(yīng)，形成反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)的外側(cè)沿高 溫?zé)峤鉅tll的徑向設(shè)置有觀測(cè)筒15，觀測(cè)筒15內(nèi)為測(cè)試區(qū)域17，觀測(cè)筒15通 過(guò)管路與真空系統(tǒng)16連接，觀測(cè)筒15外端依次設(shè)置有透鏡13和光譜儀12，觀 測(cè)筒15、透鏡13和光譜儀12 j^各連接；光譜儀12通過(guò)線路與計(jì)算機(jī)8信號(hào)連 接；熱電偶6和高溫電熱絲通過(guò)線路與一驢控制器7電連接；在氣體混合器4 與高溫?zé)峤鉅t11之間的管路及氣體混合器4與噴嘴14之間的管路上分別設(shè)置有 閥5;在S迅儲(chǔ)氣瓶1、氦氣儲(chǔ)氣瓶2、 N20儲(chǔ)氣瓶18及載氣儲(chǔ)氣瓶19的氣體出 口管路上分別設(shè)置有流量控制器3;在高溫?zé)峤鉅tll的氣體入口和氣體出口處均 設(shè)置有硅橡膠密封墊圈。禾擁本發(fā)明的合成實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)SiO( b3n)的發(fā)射光譜以及si0( b3n)與Na原子近共振傳能進(jìn)行了研究。實(shí)踐表明本發(fā)明的裝置很好地提供了研究所需要的亞穩(wěn)^M能粒^"Si0( b3n)。結(jié)果如圖2所示，其為本發(fā)明測(cè)到的SiO( b3n)自發(fā)輻射譜。具^(guò)t喿作步驟如下1:系統(tǒng)安裝。包括管路連接、密封；觀賦系統(tǒng)安裝調(diào)試。 2:實(shí)驗(yàn)前狀態(tài)檢查。包括真空i式漏和各測(cè)試設(shè)備檢查。3:開(kāi)啟真空泵、流量計(jì)電源。4:開(kāi)啟熱解爐電源，開(kāi)始加熱。5:開(kāi)啟計(jì)^m采集控制系統(tǒng)，設(shè)置流量計(jì)參數(shù)。6:系統(tǒng)抽真空。7:待熱解爐加熱到90(TC以后，進(jìn)行如下操作① 開(kāi)氣瓶閥；② 開(kāi)艦閥。③ 開(kāi)流量計(jì)開(kāi)關(guān)；8:待電爐加熱到100(TC以后，進(jìn)行如下操作:① 開(kāi)啟SiH4流量控制器，開(kāi)始進(jìn)S迅.② 開(kāi)啟化0流量控制器，開(kāi)始進(jìn)即.io:開(kāi)始測(cè)試。此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始合成sio( b3n).11:實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按下列順序關(guān)閉系統(tǒng)① 關(guān)閉各氣瓶閥；② 關(guān)閉各氣瓶減壓閥。③ 關(guān)閉電爐電源。 ⑤清洗流量控制器。
:關(guān)閉流量控制器。⑦ 關(guān)閉真空系統(tǒng)。⑧ 關(guān)閉測(cè)試系統(tǒng)和計(jì)^m系統(tǒng)。12:最后安全檢査，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種亞穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)能粒子-SiO(b3∏)的合成裝置，包括SiH4儲(chǔ)氣瓶(1)、氦氣儲(chǔ)氣瓶(2)、N2O儲(chǔ)氣瓶(18)、載氣儲(chǔ)氣瓶(19)、高溫?zé)峤鉅t(11)、透鏡(13)和光譜儀(12)，其特征在于高溫?zé)峤鉅t(11)為管式結(jié)構(gòu)，其由外向內(nèi)依次為整體的不銹鋼密封外殼、石棉保溫層(10)和SiC管高溫爐膛(9)，在爐膛(9)的中部軸向設(shè)置有熱電偶(6)，在爐膛(9)的SiC管外壁上纏繞有高溫電熱絲；SiH4儲(chǔ)氣瓶(1)和氦氣儲(chǔ)氣瓶(2)通過(guò)管路經(jīng)氣體混合器(4)與高溫?zé)峤鉅t(11)的氣體入口相連，在高溫?zé)峤鉅t(11)的氣體出口外側(cè)設(shè)置有N2O及其載氣的噴嘴(14)，噴嘴(14)通過(guò)管路經(jīng)氣體混合器(4)與N2O儲(chǔ)氣瓶(18)和載氣儲(chǔ)氣瓶(19)相連，N2O與高溫?zé)峤鉅t(11)氣體出口的主氣流相交反應(yīng)，形成反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)的外側(cè)沿高溫?zé)峤鉅t(11)的徑向設(shè)置有觀測(cè)筒(15)，觀測(cè)筒(15)內(nèi)為測(cè)試區(qū)域(17)，觀測(cè)筒(15)通過(guò)管路與真空系統(tǒng)(16)連接，觀測(cè)筒(15)外端依次設(shè)置有透鏡(13)和光譜儀(12)，觀測(cè)筒(15)、透鏡(13)和光譜儀(12)光路連接；光譜儀(12)通過(guò)線路與計(jì)算機(jī)(8)信號(hào)連接。
2. 按照權(quán)利要求1所述合成裝置，其特征在于:戶，熱電偶(6)和高溫電 熱絲通過(guò)線路與一鵬控制器(7)電連接。
3. 按照權(quán)利要求1所述合成裝置，其特征在于:在氣體混合器(4)與高溫 熱解爐(11)之間的管路及氣體混合器(4)與噴嘴(14)之間的管路上分別設(shè)置 有閥(5)。
4. 按照權(quán)利要求1所述合成裝置，其特征在于:在S迅儲(chǔ)氣瓶(1)、氦氣 儲(chǔ)氣瓶(2)、即儲(chǔ)氣瓶(18)及載氣儲(chǔ)氣瓶(19)的氣體出口管路上分別設(shè)置有 流量控制器(3)。
5. 按照權(quán)利要求1戶誠(chéng)合成裝置，其特征在于:在高溫?zé)峤鉅t(11)的氣 體入口和氣體出口處均設(shè)置有硅橡膠密封墊圈。
6. 按照權(quán)利要求1所述合成裝置，其特征在于:在高溫?zé)峤鉅t(11)的氣 體出口夕卜偵購(gòu)勻設(shè)置有即及其載氣的噴嘴(14)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種亞穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)能粒子-SiO(b³∏)的合成裝置，高溫?zé)峤鉅t為管式結(jié)構(gòu)，其由外向內(nèi)依次為密封外殼、保溫層和爐膛，在爐膛的中部軸向設(shè)置有熱電偶，爐膛外壁纏繞有電熱絲；SiH₄儲(chǔ)氣瓶經(jīng)氣體混合器與高溫?zé)峤鉅t的氣體入口相連，在高溫?zé)峤鉅t的氣體出口外側(cè)設(shè)置有N₂O噴嘴，噴嘴經(jīng)氣體混合器與N₂O儲(chǔ)氣瓶相連，N₂O與高溫?zé)峤鉅t氣體出口的主氣流相交反應(yīng)，在反應(yīng)區(qū)的外側(cè)沿高溫?zé)峤鉅t的徑向設(shè)置有觀測(cè)筒，觀測(cè)筒與真空系統(tǒng)連接，觀測(cè)筒外端依次設(shè)置有透鏡和光譜儀；光譜儀通過(guò)線路與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定且易于放大，可以為將來(lái)的Na、Tl、Ga等原子激光器提供能源。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101318657SQ200710011628
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者多麗萍, 桑鳳亭, 王增強(qiáng), 金玉奇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所