超声分子束激光光谱仪的电子学系统及控制软件设计

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摘要：超声分子束技术是分子光谱学、光解离、化学反应动力学、新物质与材料制备等领域非常重要的研究方法，这种技术与其他技术相结合已经成为物理学与化学等
领域重要且广泛的研究工具。
. _& a* I  N( f) j+ B6 W采用高压直流脉冲放电与脉冲分子束方法相结合，获得荧光光谱，研究自由基
的光谱和结构，对于了解化学反应机理和分子光谱是目前常用的有效方法之一。本
( L2 A- F1 T9 j; P; Y. |文在现有超声分子束激光光谱仪的结构框架下，设计了其中的电子学系统及控制软
! U0 {6 @1 e9 h$ G1 @6 _, c/ u件，实现了高压脉冲放电、激光光谱技术和脉冲分子束技术有机地结合，设备控制
5 t7 T) d( t1 F' S9 [和光谱数据采集软件自动化。
8 L/ a& d, Y: t+ h0 l电子学系统设计包括两方面内容:文章首先分析了分子束实验对脉冲放电系统
  {" d, u2 ^$ \' l的具体要求，综合考虑了系统的安全及尽可能减少设备间的串扰等环节，设计了一
+ a7 `6 ~* G9 d( K5 E套脉冲幅度、宽度、延时都可以方便调节的大电流可控高压脉冲电源。然后结合被
2 |- c  t/ ]% o1 l0 ^; q3 v! @测光谱信号的特点和信号采集所要达到的性能指标，组建了一套基于PXI总线虚拟
仪器的数据采集系统。
控制软件设计方面，文章介绍了软件编程环境LabVIEW在测控领域程序设计
1 `6 k3 z' i3 w  w中的优势。围绕本课题要开发的控制软件的要求，并充分利用LabVIEW提供的强
大的IO接口函数库(VISA)和仪器驱动程序(NI-Scope)，设计了光谱仪系统的激光器
! u+ C" g! j/ D* t5 B电流调节和数据采集与处理软件。
7 Y( i  M& {4 `- h本文设计的光谱仪电子学系统及控制软件已应用于分子束光谱实验，系统运行
2 D' }3 _; I- o1 f( Y/ Y% `  b稳定，实验效果比较理想，基本达到预期设计要求。后期工作可在电磁干扰、电路
布局和软件结构等方面作进一步的改进
关键词:超声分子束；脉冲放电；数据采集；PXI总线；LabVIEW
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分子束是气体由处于高压区的气源室经过一个喷射小孔（nozzle）进入处于低
, B- O: d6 M4 q5 x! F; C  K压区的膨胀室扩散形成的，膨胀室的低气压条件靠真空泵不断向外抽气来维持。分
子束中大部分分子处于振动基态，转动激发也不大，平动能的分布范围比较窄，简
单的分子能态分布，便于分析与研究。
早期的分子束为射流束（effusive beam)，其束强度较低，气体分子的速度分布
: H5 S2 M! |4 Q' [2 ]比较分散。1951年，Kantrowitz和Grey改善了分子束装置，用一个正对气体射流
1 B; \& {! i; c: E# `的顶端带小孔的锥形孔代替了以前简单的圆孔状泻流孔，实现了高强度的超声分子
束技术2。超声分子束的“超声”二字是指分子束的宏观速度大于当地声速，需要注
+ C' I5 H, q$ R意的是，这往往并不是一个绝对值很大的速度。
8 H5 a2 v  d( J! q! Y脉冲分子束技术是指分子束阀门以脉冲方式开关而形成分子束的技术。许多研
/ |; z. W+ S" h$ |! Z' D究小组用螺线管驱动装置或压电陶瓷制造脉冲喷嘴，1978年，Gentry和Giese首次
5 |5 ^- I0 k* ?1 x设计并实现了脉宽为10us的脉冲超声分子束，此后几年的发展中，脉冲分子束的驱
动电路设计更为成熟简单。
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超声分子束技术是分子光谱学、光解离、化学反应动力学、新物质与材料制备等领域非常重要的研究方法