Vereinfachung der Überschalldüsendrucküberwachung

Anonim

Ein wenig Glück während der Durchführung einer routinemäßigen Kalibrierung veranlasste einen Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) BELLA Centre, eine neue Methode zu finden, um den Druck von Überschalldüsen zu messen. Dies ist ein bedeutender Durchbruch - mit weitreichenden Anwendungen, die Miniatursatelliten, Labor-auf-einem-Chip-Geräte und Laserplasmabeschleuniger umfassen.

Die Überwachung von schnellen Strahldruckänderungen in mikroskopischen Düsen ist extrem schwierig. Aber im Journal of Applied Physics von AIP Publishing berichtet eine Gruppe von Forschern über die Erstellung eines Geräts, das den Prozess erheblich vereinfacht.

Dieses Gerät "ist ein stark miniaturisierter Elektronenbeschleuniger, der aus zwei kleinen Platten aus klarem Saphir besteht, die jeweils mit der Hälfte eines benutzerdefinierten Musters bearbeitet und dann zusammengefügt werden", sagte Nicholas Matlis, der Hauptautor des Papiers, der jetzt leitender Wissenschaftler ist am Deutschen Elektronen Synchrotron in Hamburg, Deutschland.

Es hat einen langen, dünnen Kapillarkanal - nur etwas breiter als ein menschliches Haar. Dieser schneidet eine konvergierende / divergierende Düse, die als Mini-Raketentriebwerk wirkt, indem sie einen millimetergroßen Überschallgasstrahl erzeugt.

Diese kombinierte Gasstrahl- und Kapillarentladungsvorrichtung, die im BELLA Center unter der Leitung von Wim Leemans, Direktor der Accelerator Technology und der Applied Physics Division und Leiter des BELLA Centers in Berkeley Lab, entwickelt wurde, wurde 2011 zum ersten Mal verwendet, um kontrolliert zu produzieren Injektion von Elektronenbüscheln aus einem Laserplasma-Beschleuniger - ein Ergebnis, das Tony Gonsalves und Mitarbeiter im Berkeley Lab in Nature Physics veröffentlicht haben.

Ein fortgeschrittener Beschleuniger wird im Inneren des Geräts erzeugt, der "Elektronen mit einer Kraft beschleunigt, die tausendmal höher ist als der größte Linearbeschleuniger der Welt", erklärte Matlis. "Wir füllen es mit Wasserstoffgas, ionisieren den Wasserstoff mit einer Hochspannungsentladung und fokussieren ihn mit einem Laserpuls, der hundert Billionen Mal heller ist als die Sonnenoberfläche."

Der schwierige Teil, wie Sie sich vorstellen können, ist die Kontrolle. "Bei diesen Intensitäten interagieren Laser nichtlinear", sagte er. "Kleine Änderungen am Eingang führen zu großen Änderungen am Ausgang - wodurch es schwierig wird, die Leistung jedes Mal zu replizieren."

Der Kanal des Geräts stellt jedoch einen langen Bereich mit nahezu perfekt gleichförmigem Gasdruck und Dichte bereit, um die Beschleunigungsstruktur zu erzeugen. "Wenn die Hochspannungsentladung anschlägt, wandelt es das Gas in ein Plasma um", bemerkte Matlis. "Und der Laserpuls macht Wellen im Plasma, ähnlich wie ein Motorboot auf einem See. Diese Plasmawellen erzeugen enorme elektrische Felder und beschleunigen Elektronen, die aus dem Plasma extrahiert werden, die dann wie Mini-Surfer die Wellen reiten."

Das Plasma dient auch als Richtlinie, um den Laser fokussiert zu halten - die Beschleunigerlänge zu erhöhen und höhere Energien zu erreichen. "Dieser leitende Effekt schützt den Kanal vor dem Laser, der ihn sonst zerstören würde", sagte er.

Noch faszinierender wird es, wenn man die Düse hinzufügt. "Ohne sie können Elektronen nur extrahiert und beschleunigt werden, indem sie in einem Modus mit hoher Gasdichte betrieben werden, der größere, unregelmäßigere Wellen erzeugt", betonte Matlis. "Der Gasstrahl dehnt sich durch die Düse aus und führt einen kleinen Bereich hoher Dichte ein, der den Prozess des Elektroneneinfangs innerhalb des Beschleunigers auslöst - wodurch es möglich wird, den Kanal in einem Modus mit niedrigerer Dichte mit gleichmäßigeren Wellen zu betreiben."

Der Jet stabilisiert die Leistung des Beschleunigers und fungiert als "Abstimmknopf", um ihn zu steuern. Aber ein Nachteil war, dass "weil die Düse unter hohem Druck steht, sie nur in kurzen Impulsen eingeschaltet werden muss, um eine Überflutung der Vakuumkammer zu vermeiden, die den Beschleuniger aufnimmt", fügte Matlis hinzu.

Pulsieren bewirkt, dass das die Düse füllende Gas um die Vorrichtung herumschwappt, was dem System eine unerwartete Haltbarkeit verleiht. Das "Schwappen" ist für das bloße Auge unsichtbar und tritt innerhalb von Millisekunden auf. Daher hat die Gruppe eine benutzerdefinierte Diagnose erstellt, um sie weiter zu untersuchen.

Plasma bot erneut eine Lösung. "Die ionisierten Atome in einem Plasma emittieren Licht mit genau definierten Frequenzen, die für jede Atomart charakteristisch sind - ein Emissionsfingerabdruck", so Matlis.

Die von seinem Kollegen Anthony Gonsalves erfundene Diagnose ist "im Wesentlichen eine Kamera, die den Saphirblock von der Seite betrachtet und das Emissionslicht als Blitzlicht nutzt", erklärte er. "Der Dreh war ein Beugungsgitter, das Farben wie ein Prisma zwischen Kamera und Gerät trennt."

Das gleichzeitige Aufnehmen von Schnappschüssen von Wasserstoff (Düse) und Helium (Kanal) - im Moment des Blitzes - zeigte das Vorhandensein jedes Gases. "Durch die Anpassung des Ausstoßzeitpunkts im Vergleich zum Düsenimpuls haben wir die Schnappschüsse zu einem Zeitlupenfilm zusammengesetzt, der aufzeigte, wie die Gase durch das System flossen", sagte Matlis.

Er arbeitete spät am Abend und betätigte die Düse oberhalb des kritischen Drucks, bei dem Helium in den Kanal entweichen konnte. Matlis war überrascht, dass Helium nur in der Hälfte des Kanals auftauchte. Er stellte dann fest, dass sie beim Überqueren des Kanals und beim Verdrängen von Wasserstoff Helium eingefangen hatten.

Dies führte zu einer weiteren großen Entdeckung: Der "Kampf der Drücke" zwischen Helium und Wasserstoff kann genutzt werden, um den für den Beschleunigerbetrieb so entscheidenden Strahldruck genau zu messen.

Die Arbeit der Gruppe ist besonders wichtig für fortgeschrittene Beschleuniger, da sie "das Potential hat, einer ganzen Generation von Wissenschaftlern die Vorteile von Hochenergie-Beschleunigern zu bieten, indem sie billiger und einfacher gebaut werden" getan ", sagte Matlis.

"Unser Programm im Berkeley Lab untersucht die Wissenschaft und Technologie solcher miniaturisierter Beschleuniger", fügte Leeman hinzu. "Das Lernen, wie man sie steuert, stimmt und sie zuverlässiger macht, erfordert die Entwicklung neuartiger Diagnoseverfahren, um die Augen und Ohren des Geräts zu versorgen. Wir hatten keine einfache Möglichkeit, den Strahl und die Kapillarentladung zu optimieren, bis die von Matlis entwickelte Technik Ich habe keinen Zweifel, dass mit solchen Optimierungsmethoden der Traum von kompakten Beschleunigern Wirklichkeit wird. "

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