日本开发超音速涡流窗口新方法，可在无固体隔板下扩大气体与真空压差

日本理化学研究所与长冈技术科学大学联合研究小组近日开发出一种新的“超音速涡流窗口”操作方法，可在没有固体隔板的情况下连接气体空间与真空空间，并显著扩大两侧压力差。相关成果已于8月6日在线发表在科学期刊《科学仪器评论》上。

概念图(右)显示了超音速涡旋窗口(左)和叠加在一起的超音速涡旋窗口，从而直接连接大气层和真空。

超音速涡流窗口是一类气动窗口，利用超音速气体射流形成涡旋，通过气流自身产生的压力差分隔不同压力空间，同时保留粒子束、光束或样品通行的开口。与固体窗口相比，这种方式不会阻挡物质通过，也可避免高功率激光或粒子束照射带来的发热和损伤问题。

(左图)传统上，周围压力差与理想自由涡旋的压力差相匹配，系统运行方式旨在防止气体射流内部发生强烈的膨胀或压缩。(右图)本研究通过对高压侧加压、对低压侧减压来增大周围压力差，从而改变气体射流的流动状态，并利用这种变化实现压力分离。

此次研究没有沿用传统上追求“理想自由涡旋”的思路，而是主动增加高压侧与低压侧之间的压力差。研究人员发现，气体射流会随外部压力条件改变流动路径和扩散范围，从而自适应更大的压差。基于这一特性，团队设计并制造了直径15毫米的小型涡流窗口，在同一装置中将压力比由传统方法下约5提高至约70;在适用于低压、低气体流量的配置下，最大压力比达到约200。

传统方法中，系统运行的目的是使理想自由涡旋的压差与周围环境压差相匹配，从而获得约 5 的压力比(右图，紫色)。本研究通过对高压侧加压、对低压侧减压，并利用气动窗口内发生的膨胀和压缩，人为地增大了压差，从而在同一装置下将压力比提高到约 70(右图，红色)。此外，在适用于低压和低气体流速的配置下，最大压力比可达约 200(右图，蓝色)。kPa：千帕。

研究还显示，该方法不仅适用于空气，在使用氩气和氦气时同样可提高压力比。由于气体供应压力可低于大气压，该技术有望减少对压缩机的依赖，并支持废气回收再利用。研究小组通过压力测量与数值流体模拟对比，确认计算结果与实验结果基本吻合，说明该方法可通过改变射流状态进一步降低低压侧压力。

该成果有望用于理研RI束工厂正在开发的电荷转换环气体剥离器小型化。电荷转换环需要让离子束在环内循环，并通过气体剥离器反复改变离子价态，因此必须在保证离子通道畅通的同时维持周边高真空环境。研究团队表示，下一步将验证多个超音速涡流窗口串联后能否稳定维持更大压差，并探索其在半导体制造、表面处理、分析测量、极紫外光刻光源周边区域，以及航天器和空间实验设备中的应用可能。