一种稀薄气体高速定向流校准装置的制作方法

本申请涉及空间计量，具体而言，涉及一种稀薄气体高速定向流校准装置。

背景技术：

1、人造航天器在地球轨道运行的速度通常高于第一宇宙速度，对于彗星等其他天体探测任务同样需要达到远大于室温下气体热运动速度的定向运动速度，稀薄气体相对于航天器呈定向束流特征。此外，对于粒子加速器装置、分子束外延设备等，均需要在真空下获得高速定向的稀薄气体束流作为工作介质。稀薄气体高速定向束流参数的准确评价是航空航天探测、高能物理实验以及半导体工艺过程控制的重要条件。建立稀薄气体高速定向流校准装置，可实现各类稀薄气体束流的速度与通量密度参数的精确标定，为科学实验与工程可靠实施提供计量保障。

2、传统真空稀薄气体参数的标定均基于真空校准装置与方法，而传统真空校准装置只能获得恒定温度下符合麦克斯韦分布的平衡态气体，将被校仪器置于平衡态气体中直接校准，无论校准气体是动态平衡或者静态平衡，均无法等效出非平衡的高速定向束流。快速动态真空校准技术虽可利用快速开关阀门与快速测量真空计实现瞬态气体膨胀并获得瞬时压力，但该类装置的束流形态仍然是发散状态，无法实现束流准直，也无法获得高速的连续分子束流。

3、christianbwestermann等（meas.sci.technol.12(2001)1594-1603）提出了一种基于单一热喷嘴膨胀获得高速气体束流的装置，但该装置最高速度只能达到4km/s，无法实现高于地球航天器第一宇宙速度的高速束流，且气体分子速度和密度测量采用了快响应电离真空计，测量精度仅±10%左右，造成密度与通量测量不确定度较大。申请号201380057640.x的专利提出了一种中性束发生器，但能量与速度分散达到跨量级的分布，无法获得稳定、均匀的标准束流，不适用于稀薄气体高速定向束流的校准与定标。

技术实现思路

1、本申请提供了一种稀薄气体高速定向流校准装置，旨在解决现有技术中无法产生束流速度稳定、气体密度分布均匀的标准高速稀薄气体束流，以及难以对稀薄气体束流测量仪器进行精确校准的技术问题。

2、为了实现上述目的，本申请提供了一种稀薄气体高速定向流校准装置，包括束流发生单元、供气系统、差分真空腔室、抽气系统、真空校准腔室、仪器固定平台以及标准束流测量系统，其中：束流发生单元设置在供气系统与差分真空腔室之间，用于产生稀薄气体高速定向流；抽气系统分别与差分真空腔室和真空校准腔室连接，用于为束流的传输提供真空环境；仪器固定平台和标准束流测量系统均设置在真空校准腔室的内部，仪器固定平台用于安装被校准的不同种类的真空稀薄气体探测仪器，标准束流测量系统用于稀薄气体高速定向流的准确测量，为被校准探测仪器提供不同速度、不同通量的标准稀薄气体定向流数值。

3、进一步的，束流发生单元包括热分子束流发生模块和离子中和束流发生模块，其中：热分子束流发生模块的输入端与供气系统连接，输出端与差分真空腔室连接；离子中和束流发生模块的输入端与供气系统连接，输出端与差分真空腔室连接；热分子束流发生模块和离子中和束流发生模块并联设置，两者交替工作。

4、进一步的，热分子束流发生模块包括加热装置、高温热喷嘴、隔热保护装置、喷嘴调节装置以及气体取样器，其中：加热装置包裹高温热喷嘴，用于将高温热喷嘴加热至预设温度；隔热保护装置设置在加热装置的外侧；高温热喷嘴固定在喷嘴调节装置的前端；气体取样器设置在高温热喷嘴的前端，两者之间保持可调节的间隙。

5、进一步的，加热装置的加热方式包括直流电加热、微波加热或等离子体加热中的任意一种；高温热喷嘴为耐高温孔板结构、直管结构或锥孔结构中的任意一种；气体取样器为锥形结构；喷嘴调节装置用于调节高温热喷嘴与气体取样器之间的间距。

6、进一步的，离子中和束流发生模块包括等离子体源和离子中和装置，其中：等离子体源用于在真空下产生高密度等离子体，其类型包括直流放电等离子体源、射频放电等离子体源或微波放电等离子体源中的任意一种；离子中和装置设置在等离子体源的下游，用于将离子与电子中和形成中性气体。

7、进一步的，抽气系统包括第一抽气系统和第二抽气系统，其中：第一抽气系统与真空校准腔室连接，用于对真空校准腔室抽真空；第二抽气系统与差分真空腔室连接，用于对差分真空腔室抽真空。

8、进一步的，还包括分子束准直组件，其设置在差分真空腔室与真空校准腔室之间，用于对束流进行准直和整形。

9、进一步的，差分真空腔室内的真空度沿束流传输方向逐级升高。

10、进一步的，仪器固定平台包括安装平台和多自由度调节装置，其中：安装平台用于安装固定被校准探测仪器；多自由度调节装置具有多自由度位置姿态调节功能，用于保证被校准探测仪器在不同角度下实现校准。

11、进一步的，标准束流测量系统包括束流标准速度测量模块和密度测量模块，其中：束流标准速度测量模块用于测量稀薄气体高速定向流的速度，其测量方式包括飞行时间法或光谱法；密度测量模块用于测量稀薄气体的密度、成分及通量，其测量方式包括质谱法、光谱法或电磁法中的任意一种。

12、本申请提供的一种稀薄气体高速定向流校准装置，具有以下有益效果：

13、（1）本申请通过热分子束流发生模块与离子中和束流发生模块的复合设计，结合真空差分技术，可获得从室温热运动速度至第一宇宙速度的宽量程稀薄气体标准高速束流。

14、（2）本申请的热分子束流发生模块通过高温高压膨胀产生定向流，离子中和束流发生模块通过电离中和产生定向流，两者交替工作，覆盖不同速度范围的校准需求。

15、（3）本申请通过分子束准直组件对束流进行准直和整形，形成束流通量稳定的标准稀薄气体定向流。

16、（4）本申请利用标准束流测量系统实现了对束流速度和密度的精确测量，为人造航天器探测、高能物理实验及半导体工艺等领域的稀薄气体定向束流检测提供了可靠的校准条件。

1.一种稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，包括束流发生单元、供气系统、差分真空腔室、抽气系统、真空校准腔室、仪器固定平台以及标准束流测量系统，其中：

2.根据权利要求1所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述束流发生单元包括热分子束流发生模块和离子中和束流发生模块，其中：

3.根据权利要求2所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述热分子束流发生模块包括加热装置、高温热喷嘴、隔热保护装置、喷嘴调节装置以及气体取样器，其中：

4.根据权利要求3所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述加热装置的加热方式包括直流电加热、微波加热或等离子体加热中的任意一种；所述高温热喷嘴为耐高温孔板结构、直管结构或锥孔结构中的任意一种；所述气体取样器为锥形结构；所述喷嘴调节装置用于调节所述高温热喷嘴与所述气体取样器之间的间距。

5.根据权利要求2所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述离子中和束流发生模块包括等离子体源和离子中和装置，其中：

6.根据权利要求1所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述抽气系统包括第一抽气系统和第二抽气系统，其中：

7.根据权利要求6所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，还包括分子束准直组件，其设置在所述差分真空腔室与所述真空校准腔室之间，用于对束流进行准直和整形。

8.根据权利要求7所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述差分真空腔室内的真空度沿束流传输方向逐级升高。

9.根据权利要求1所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述仪器固定平台包括安装平台和多自由度调节装置，其中：

10.根据权利要求1所述的稀薄气体高速定向流校准装置，其特征在于，所述标准束流测量系统包括束流标准速度测量模块和密度测量模块，其中：