NO904010L - Fremgangsmaate og apparat for aa danne koherente partikkelbunter. - Google Patents

Description

FREMGANGSMÅTE OG APPARAT FOR A DANNE KOHERENTE PARTIKKELBUNTER.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og et apparat for å danne koherente bunter av partikler.

Under forhold med avtagende temperatur vil gass kondensere til væske, samt derpå fryse til fast stoff. For en molekyl-ener atomstråle som avgis fra en dyse vil temperaturen falle raskt. Atomene eller molekylene vil trenge seg sammen til å danne bunter. Når antallet atomer eller molekyler N er større enn 100, betegnes de som ultrafine partikler. Disse partikler danner grensen mellom den mikroskopiske og makroskopiske verden og er blitt studert inngående. Disse studier er beskrevet i "Physics and Chemistry of Small Clusters" (NATO ASI Series B: Physics. Vol. 158), Plenum, N.Y. (1987) Redigert av P. Jena, B.K. Rao og S.N. Khana; "Microclusters", redigert av S. Sugano, S. Okinishi Springer-Verlag, Tokyo

(1987); "Surface Science 15_£", Del 1 og 2 (1985); "Surface Science IM", (1981); J. Phys. (Paris) C-2 (1977); og "Chobiryushi-Science and Applications" (Kagakusosetsu)

(Chemical Review) Vol. 48, Chemical Society of Japan Tokyo

(1985) .

Et aspekt av den foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for å danne koherente partikkelbunter og som går ut på å frembringe sådanne bunter og bringe i det minste noen av dem til å bli koherente.

Med uttrykket "partikkelbunt" menes her en samling av flere atomer eller molekyler som holdes sammen. Disse bunter kan typisk bestå av et titalls, hundretalls eller tusentalls atomer eller molekyler.

Oppfinnelsen gjelder også et apparat for å danne koherente partikkelbunter og som omfatter utstyr for å frembringe sådanne bunter, samt koherensfrembringende utstyr som virker slik at i det minste noen av buntene gjøres koherente.

Ved fremgangsmåten og apparatet til oppfinnelsen kan partikkelstrålen ved passende styring av strålen utformes til en koherent partikkelbuntstråle. Med uttrykket "koherent partikkelbunt" menes i denne sammenheng at i det minste noen av atomene eller molekylene i vedkommende bunt er koherente. Dette innebærer at vedkommende atomer eller molekyler deler en og samme kvantetilstand og kan beskrives ved samme bølgefunksjon. En koherent partikkelbuntstråle er da ut i fra dette en sådan stråle hvor i det minste noen av partikkelbuntene er koherente i denne betydning. Dette innebærer imidlertid ikke nødvendigvis at partikkelbuntene er koherente seg imellom i den betydning at den ovenfor nevnte kvantetilstand er den samme for hver partikkelbunt. I almin-nelighet er atomene eller molekylene bosoner (hvilket vil si at de har heltalls spinnverdi).

I en utførelsesform av oppfinnelsen er strålen gjort koherent ved den mekanisme som innebærer indusert spredning. Ved sådan indusert spredning kan partikkelbuntene også bli koherente seg imellom, i den betydning at atomene innenfor forskjellige koherente partikkelbunter også deler samme kvantetilstand, slik som at de har samme energimengde.

Koherente partikkelbunter kan dannes ved passasjer gjennom en dyse av gass med høyere trykk på sådan måte at det dannes partikkelbunter i et område med lavere trykk ved utløpet fra dysen. De koherente partikkelbunter kan være nøytrale, eller eventuelt positivt eller negativt ladet. Positivt ladede partikkelbunter kan dannes ved anslag av en elektronstråle eller andre ladede partikler i stråleform mot vedkommende partikkelbunter. Negativt ladede bunter kan dannes under en fri ekspansjonsfase ved formering omkring elektronkimer. Disse elektroner kan frembringes ved fotoelektrisk påvirkning fra lys fra en laser.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av et utførelseseksempel og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Figur 1 viser skjematisk et apparat for dannelse av en koherent partikkelbuntstråle ut i fra helium og i samsvar med foreliggende oppfinnelse, og Figur 2 viser skjematisk et apparat for å danne en negativt ladet partikkelbuntstråle i samsvar med oppfinnelsen.

For det første bør det bemerkes at i det første av to apparater som er beskrevet som eksempler, holdes heliumgass innledningsvis ved et høyt trykk, for eksempel en atmosfære, og ved en temperatur på 4°K. Gassen bringes så til å ekspandere gjennom en dyse inn i vakuum. Denne ekspansjon av heliumgassen vil bringe temperaturen til å falle raskt til under 2°K. Heliumatomene vil da trekke seg sammen til å danne bunter. Noen av disse partikkelbunter vil bestå av koherente helium-atomer, så snart temperaturen faller under den kritiske temperaturverdi på 2,1°K. Dette vil da føre til en gass-strålelignende koherent og nøytral partikkelbuntstråle.

Flytende helium vil normalt ha en komponent av superfluid så snart temperaturen faller under den kritiske temperatur. Her foreligger det da en lignende situasjon. Forskjellen er imidlertid at de koherente partikkelbunter danner en stråle og kan rettes inn i måleobjekter. Det er også fullt mulig at de forskjellige partikkelbunter av heliumatomer også beveger seg i samme koherente tilstander på grunn av den frembragte spredning blant de forskjellige bunter, frembragt på lignende måte som den mekanismen som er beskrevet i beskrivelsesdelen av Internasjonal Patentansøkning PCT/AU86/00212.

Spredningsprosessen er som følger:

Et heliumatom spres ut fra en Hen-partikkelbunt med n helium-atomer hver med en bevegelsesmengde p. Forutsatt at konstans-lovene er tilfredsstillet, er det mest sannsynlig at Hen(p) vil bli spredt inn i He(p') med den samme endelige bevegelsesmengdeverdi p<1>som en nærliggende helium-partikkelbunt Hem(p'), som har hver av sine atomer i bevegelses-mengdetilstand p'. I hviletilstanden av disse koherente partikkelbunter vil de opptre som superfluid-væske i dråpeform over hele stråleområdet:

Disse koherente partikkelbunter kan måles på to måter:

(A) Energispredningen AECblant disse partikkelbunter er betraktelig mindre enn strålens temperatur T, hvilket vil si

AEC<<T.

Energispredningen for en nøytral partikkelbuntstråle kan måles ved å ionisere strålen ved hjelp av en elektronstråle. De ladede partikkelbunter blir så akselerert og deres hastigheter avfølt ved hjelp av flukttids-metoder.

(B) Partikkelspredning ved hjelp av laser. Som nevnt i patentansøkningen PCT/AU86/00212 er det induserte spred-ningstverrsnitt mellom to koherente stråler av heliumatomer og fotoner,

betraktelig større med en faktor på n!m! enn blant de enkelte heliumatomer og fotoner. Ved å bestråle den koherente partikkelbuntstråle med laserlys er det således mulig å utlede et meget sterkere spredt fotonsignal enn ved å rette laserlys mot en ikke koherent partikkelbuntstråle.

Bunter av hydrogenioner dannes ved fri fluidstråleekspansjon av svakt ionisert ren hydrogengass. Dette arbeidet er beskrevet i en publikasjon av R.J. Beuhler og L. Friedman med tittelen "Cluster Ion Formation in Free Jet Expansion Processes at Low Temperature". Ber. Bunsenges Phys. Chem. 88, 265-270 (1984); J. Chem. Phys. 77, 2549 (1982); J.Chem. Phys. 7_8_, 4669 (1983). Med et begynnelsestrykk p0=18cm He og kildeblokktemperatur på 17°K, vil det bli dannet hydrogen-buntioner med smal massefordeling samt med m/e-verdier av størrelsesorden 10.000.

Innføringen av kimeioner vil bidra til nukleeringsprosessen, og et større bunteomfang kan oppnås i dette tilfellet.

For å frembringe ioner kan det anvendes mikrobølgebestråling. Det er også mulig å anvende en lysbue. Begge disse frem-gangsmåter vil føre til at det opptrer en varmekilde som ikke kan godtas for omgivelsestemperatur tilsvarende flytende helium. Ioner kan imidlertid dannes umiddelbart på utsiden av en dyse ved anslag fra en elektronstråle. Sådanne ioner som dannes like på utsiden av dysen, vil bli nedkjølt sammen med de nøytrale molekyler under fri fluidstråleekspansjon.

En koherent ionebuntstråle er å foretrekke fremfor koherent nøytral partikkelbuntstråle, da den kan akselereres til høyere energi. En koherent ionebuntstråle har således stor fordel fremfor andre koherente nøytrale stråler. Det er velkjent at det er ytterst vanskelig å frembringe en laser som avgir stråling i røntgenstråleområdet, skjønt en laser som avgir ikke synbart lys er oppnådd for mer enn et kvart århundre siden. For den koherente ionebuntstråle vil det imidlertid ikke være vanskelig å øke dens energi pr. partikkel, da den kan akselereres på samme måte som andre ladede stråler i en lineær akselerator.

Et apparat for å frembringe en koherent partikkelbuntstråle er vist mer detaljert i Figur 1. En kryostat 10 anvendes for å lagre flytende helium 15. Dette flytende helium fordampes gjennom et rør 12 til et kammer 14, hvor flytende helium lagres ved omtrent atmosfæretrykk og flytende heliumtemperå-tur 4°K. En dyse 16 er anbragt i vinduet for kryostaten, og heliumgassen vil da ekspandere fritt gjennom dyse 16 til et vakuumkammer 25 på utsiden. En elektronstrålekilde 29 er anordnet for å rette en stråle 31 av elektroner for anslag mot ionene av flytende helium når de kommer ut fra munnstykket 16. Et sett av avgrensere 20 som er anbragt i en viss avstand fra munnstykket tjener til å kollimere partikkel-buntstrålen 27 som avgis fra dysen, samt også for å fastlegge stråleretningen. En solenoid 22 kan være plassert på utsiden av strålen slik at den aksialt omgir denne, for derved å avgrense ionebuntene. Alternativt kan det anvendes en elektronisk begrensningsmaske for å avgrense ionebuntstrålen. I begge tilfeller vil en stråle 27 komme ut gjennom en åpning i kammeret 25.

Formålet med avgrensingen er å opprettholde ionebuntens densitet samtidig som de nøytrale partikler tillates å ekspandere til nedkjøling. Kollisjonen mellom nøytrale atomer og ionebunter vil kjøle ned vedkommende ionebunter. Ionebuntene vil ikke være gjenstand for nedkjøling ved ekspansjon, men kjøles ved sådan kollisjon med nøytrale atomer.

Et noe forskjellig apparat er også mulig for å frembringe en negativt ladet koherent partikkelbuntstråle. Dette apparat er skjematisk vist i figur 2. En del av dette apparat er det samme som vist i figur 1, og samme henvisningstall angir tilsvarende komponenter i figurene 1 og 2. Her foreligger atter en kilde (ikke vist) av He-gass med temperatur nær temperaturen 4°K for flytende helium samt ved atmosfæretrykk. Gassen vil passere gjennom dysen 16 og ekspandere fritt i vakuumkammeret (ikke vist) på utsiden av dysen. Forskjellen fra tidligere er at dysen, som i dette tilfellet er utført i metall, også er anordnet for å tjene som elektronkilde. En laser 28 er således anordnet for å frembringe en stråle 32 av laserlys ved en frekvens co, og dette lys rettes da via et speil 33 mot dysens utside. Elektroner vil da bli avgitt ved fotoelektrisk omvandling og med en energi Ee:

hvor $ er frigjøringsarbeidet for vedkommende metall. Lyset fra en laser har den fordel at det har en nøyaktig fastlagt

frekvens co, slik at elektronenergispredningen også vil være liten. En spenning Ve påtrykkes fra en kilde 35 mellom dysen 16 og den første avgrenser 20a i avgrensergruppen 20. Elektronene kan da akselereres eller deakselereres ved denne spenningen mellom avgrenser 20a og dyse 16. I dette tilfellet foreligger således ikke den tidligere foreskrevne kilde 29 for en elektronstråle.

De ladede elektroner vil tjene som kimedannelsessenteret for partikkelbuntdannelse i heliumgassen etterhvert som den kommer ut fra dysen. Det frembringes således en negativt ladet partikkelbunt. Kjøleeffekten ved gassekspansjonen vil sikre at heliumgassbunten vil inneholde en andel av atomer i samme koherent-tilstand i henhold til Bose-Einsteins konden-sasjonslov. Den andel avhenger av hvor kold strålen er. Jo koldere stråle, jo høyere andel koherente partikler.

Den negativt ladede koherente stråle kan videre akselereres til høyere energi ved hjelp av en ytterligere uttrekks-spenning V 2 som avgis fra en kilde 41. Det er imidlertid å foretrekke å ha langsommere elektroner, og derfor en meget lavere verdi av Ve like på utsiden av dysen, således at det vil være mer tilgjengelig tid for å danne partikkelbunter omkring elektronene. I figur 2 er en uttrekks-spenning V 2 innkoblet mellom to elektroder 30, 32 med åpninger i banen for den utgående stråle. Hvis det er nødvendig å frembringe en koherent stråle med høyere energi, kan uttrekks-spenningen V2være av forskjellig størrelsesorden (hvilket vil si høyere) enn Ve.

Slik som ved apparatet i figur 1, kan den utgående partikkelbuntstråle like på utsiden av dysen være omgitt av en solenoid 22, således at de ladede partikler kan holdes sammen ved hjelp av det opprettede magnetiske felt og ikke bli fortynnet til nedsatt densitet.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for å danne koherente partikkelbunter, karakterisert ved at det frembringes partikkelbunter og i det minste noen av buntene påvirkes til å bli koherente.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at partikkelbuntene gjøres koherente ved en prosess hvor de gjøres til gjenstand for indusert spredning ved hjelp av ytterligere partikler.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at det som ytterligere partikler anvendes elektroner som rettes i stråle mot partikkelbuntene.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det som ytterligere partikler anvendes koherente fotoner som i rettes i form av en stråle mot partikkelbuntene.

5. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 2 til 4, karakterisert ved at det som partikkelbunter anvendes heliumioner som frembringes ved ekspansjon av heliumgass gjennom en dyse inn i et vakuum.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 2 til 4, karakterisert ved at det som partikler i partikkelbuntene utnyttes heliumioner frembragt ved ekspansjon av heliumgass gjennom en dyse inn i et vakuumkammer, hvorpå de dannede koherente partikkelbunter innrettes i en stråle ved hjelp av minst ett akselererende potensial utover fra vakuumkammeret.

7. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 2 til 4, karakterisert ved at det som partikler i partikkelbuntene anvendes heliumioner frembragt ved ekspansjon av heliumgass gjennom en dyse inn i et vakuumkammer, hvorpå de koherente partikkelbunter innrettes i en stråle ved hjelp av minst ett akselererende potensial utover fra vakuumkammeret, og kollimeringsutstyr anordnes for avgrens-ning av strålen.

8. Fremgangsmåte som angitt i ett av kravene 1 til 3, karakterisert ved at partikkelbuntene gjøres koherente innbyrdes.

9. Apparat for å danne koherente partikkelbunter, karakterisert ved at det omfatter utstyr for å frembringe bunter av partikler samt koherensinduserende utstyr for å gjøre i det minste noen av de dannede partikkelbunter koherente.

10. Apparat som angitt i krav 9, karakterisert ved at det koherensinduserende utstyr omfatter middel for å frembringe ytterligere partikler for sådan gjensidig påvirkning med partikkelbuntene at buntene gjøres koherente ved hjelp av indusert spredningsprosess.

11. Apparat som angitt i krav 9, karakterisert ved at det koherensinduserende omfatter en kilde for en koherent lysstråle for å rettes mot partikkelbuntene og derved å bringe buntene til å bli koherente ved en indusert spredningsprosess.

12. Apparat som angitt i krav 9, 10 eller 11, karakterisert ved at utstyret for å frembringe partikkelbunter omfatter en dyseinnretning samt vakuumkammerutstyr anordnet for å drive heliumgass gjennom dysen inn i vakuumkammeret.

13. Apparat som angitt i krav 9, 10 eller 11, karakterisert ved at utstyret for å frembringe partikkelbunter omfatter en dyseinnretning og vakuumkammerutstyr anordnet for å føre heliumgass gjennom dysen inn i vakuumkammeret, idet kollimeringsutstyr er anordnet for å kollimere partikkelbuntene til en stråle.