分子速度测量系统、分子速度测量方法、设备及存储介质

1.本技术涉及物质测量技术领域，尤其涉及一种分子速度测量系统、分子速度测量方法、设备及存储介质。


背景技术：

2.目前，分子标识测速法(molecular tagging velocimetry,mtv)是一种运用激光技术直接测量流场中特定分子速度的光学测量技术，具有无外物介入，不接触测量，高时空分辨与精度的特点。相关技术通常采用mtv结合电荷耦合器件(charge coupled device，ccd)，即通过对分子进行荧光标记，并通过测荧光的轨迹和图样确定分子速度。然而，由于一个分子发出的荧光较弱，且分子的荧光标记会随着飞行距离的增长而不断衰减，从而造成明显的速度测量误差。因此，相关技术所采用的分子速度测量技术对长距离的分子速度测量的精度不够。


技术实现要素：

3.本技术实施例的主要目的在于提出了一种分子速度测量系统、分子速度测量方法、设备及存储介质，通过采用激光电离探测的分子速度测量，能够有效提高对长距离的分子速度的测量精度。
4.为实现上述目的，本技术实施例的第一方面提出了一种分子速度测量系统，所述系统包括：延时信号发生器、气体脉冲阀、激光激发模块、激光探测模块和数据处理模块，所述延时信号发生器分别与所述气体脉冲阀、所述激光激发模块、所述激光探测模块和所述数据处理模块通信连接；其中，
5.所述气体脉冲阀，用于根据接收到的第一延时触发信号喷出目标分子；
6.所述激光激发模块，用于根据所述目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号，根据所述第一激光信号的激光对所述目标分子进行状态激发，得到激发分子；
7.所述激光探测模块，用于根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到目标离子；
8.所述延时信号发生器，用于向所述气体脉冲阀发送所述第一延时触发信号，还用于记录所述激光激发模块标记得到所述激发分子的第一激光时间，并记录所述激光探测模块探测得到所述目标离子的第二激光时间；
9.所述数据处理模块，用于根据所述第一激光时间、所述第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标分子的目标速度。
10.在一些实施例中，所述激光探测模块包括激光探测单元和电离收集器，则所述激光探测模块，用于根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到目标离子，具体包括：
11.所述激光探测单元根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号；
12.所述激光探测单元根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到
所述目标离子；
13.当所述电离收集器识别到所述目标离子，通过所述延时信号发生器记录得到所述目标离子的所述第二激光时间。
14.在一些实施例中，所述激光探测单元包括电极板和激光探测器，所述激光探测单元根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到所述目标离子，包括：
15.当所述激发分子飞行至所述电极板的预设激发位置，所述激光探测器根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电荷分离，得到所述目标离子和核外电子；
16.根据所述电极板对所述目标离子和核外电子进行偏转，并将所述目标离子发送至所述电离收集器。
17.在一些实施例中，所述激光激发模块，用于根据所述目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号，根据所述第一激光信号对所述目标分子进行状态激发，得到激发分子，具体包括：
18.根据所述目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号；
19.接收所述延时信号发生器发送的第二延时触发信号，并根据所述第二延时触发信号启动所述激光激发模块；
20.根据所述第一激光信号对基态的所述目标分子进行状态激发，得到激发态的所述激发分子。
21.在一些实施例中，在所述激光探测单元根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号之前，所述激光探测模块，用于根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到目标离子，具体还包括：
22.接收所述延时信号发生器发送的第三延时触发信号，并根据所述第三延时触发信号启动所述激光探测模块。
23.在一些实施例中，所述气体脉冲阀，用于根据接收到的第一延时触发信号喷出目标分子，包括：
24.接收所述延时信号发生器发送的所述第一延时触发信号，并根据所述第一延时触发信号启动所述气体脉冲阀；
25.所述气体脉冲阀喷出包含速度展宽的气体团，且所述气体团中包括目标分子。
26.为实现上述目的，本技术实施例的第二方面提出了一种分子速度测量方法，应用于上述第一方面提出的一种分子速度测量方法，所述方法包括：
27.根据延时信号发生器发送至所述激光激发模块的第二延时触发信号启动所述激光激发模块；
28.根据所述目标分子的能量跃迁信息设置所述激光激发模块的第一激光信号；
29.根据所述第一激光信号的激光对从气体脉冲阀喷出的目标分子在预设激发位置进行状态激发，得到第一激光时间；
30.根据所述延时信号发生器发送至激光探测模块的第三延时触发信号启动所述激光探测模块；
31.根据所述目标分子的电荷分离信息设置所述激光探测模块的第二激光信号；
32.根据所述第二激光信号在预设探测位置对所述激发分子进行电离得到的第二激
光时间；
33.根据所述第一激光时间、所述第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标分子的目标速度。
34.在一些实施例中，所述预设飞行距离用于表示所述激光激发模块和所述激光探测模块在所述目标分子的飞行方向上的映射距离，所述根据所述第一激光时间、所述第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标分子的目标速度，包括:
35.根据所述第一激光时间和所述第二激光时间确定激光时间差值；
36.根据所述激光时间差值和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标速度。
37.为实现上述目的，本技术实施例的第三方面提出了一种计算机设备，包括：
38.至少一个存储器；
39.至少一个处理器；
40.至少一个计算机程序；
41.所述至少一个计算机程序被存储在所述至少一个存储器中，所述至少一个处理器执行所述至少一个计算机程序以实现上述第一方面所述的多线程内存管理方法。
42.为实现上述目的，本技术实施例的第四方面提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于使计算机执行上述第一方面所述的多线程内存管理方法。
43.本技术实施例提出的一种分子速度测量系统、分子速度测量方法、设备及存储介质，首先，通过气体脉冲阀根据接收到的第一延时触发信号喷出目标分子。激光激发模块根据目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号，根据第一激光信号的激光对目标分子进行状态激发，得到激发分子。然后，激光探测模块根据目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到目标离子。其中，延时信号发生器，用于向气体脉冲阀发送第一延时触发信号，还用于记录激光激发模块标记得到激发分子的第一激光时间，并记录激光探测模块探测得到目标离子的第二激光时间。最后，数据处理模块根据第一激光时间、第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到目标分子的目标速度。本技术实施例通过采用激光电离探测的分子速度测量，能够有效提高对长距离的分子速度的测量精度。
附图说明
44.图1是本技术实施例提供的分子速度测量系统的一个可选的结构示意图；
45.图2是本技术实施例提供的气体脉冲阀的一个可选的流程图；
46.图3是本技术实施例提供的气体脉冲阀喷出的一个气体团的速度宽度分布图；
47.图4是本技术实施例提供的激光激发模块的一个可选的流程图；
48.图5是本技术实施例提供的激光探测模块的一个可选的流程图；
49.图6是本技术实施例提供的分子速度测量方法的一个可选的流程图；
50.图7是图6中的步骤s670的流程图；
51.图8是本技术实施例提供的计算机设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
52.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
53.需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
54.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本技术实施例的目的，不是旨在限制本技术。
55.首先，对本技术中涉及的若干名词进行解析：
56.分子：是由组成的原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起的整体，这种键合顺序和空间排列关系称为分子结构。原子是组成物质最小单位，如氢原子,氧原子等。其中，原子由原子核和电子组成。
57.基态：是指在正常状态下，分子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动的这种定态。
58.激发态：是指原子或分子吸收一定的能量后，被激发到较高能级但尚未电离的状态。
59.目前，分子标识测速法(molecular tagging velocimetry,mtv)是一种运用激光技术直接测量流场中特定分子速度的光学测量技术，具有无外物介入，不接触测量，高时空分辨与精度的特点。相关技术通常采用mtv结合电荷耦合器件(charge coupled device，ccd)，即通过对分子进行荧光标记，并通过测荧光的轨迹和图样确定分子速度。然而，由于一个分子发出的荧光较弱，且分子的荧光标记会随着飞行距离的增长而不断衰减，从而造成明显的速度测量误差。因此，相关技术所采用的分子速度测量技术对长距离的分子速度测量的精度不够。
60.基于此，本技术实施例提供了一种分子速度测量系统、分子速度测量方法、设备及存储介质，通过采用激光电离探测的分子速度测量，能够有效提高对长距离的分子速度的测量精度。
61.请参阅图1，图1是本技术实施例提供的分子速度测量系统的一个可选的结构示意图。图1中的分子速度测量系统具体可以包括延时信号发生器110、气体脉冲阀120、激光激发模块130、激光探测模块140和数据处理模块150，该延时信号发生器110分别与气体脉冲阀120、激光激发模块130、激光探测模块140和数据处理模块150通信连接。
62.气体脉冲阀120，用于根据接收到的第一延时触发信号喷出目标分子160；
63.激光激发模块130，用于根据目标分子160的能量跃迁信息设置第一激光信号，根据第一激光信号的激光对目标分子160进行状态激发，得到激发分子170；
64.激光探测模块140，用于根据目标分子160的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据第二激光信号的激光对激发分子170进行电离，得到目标离子180；
65.延时信号发生器110，用于向气体脉冲阀120发送第一延时触发信号，还用于记录
激光激发模块130标记得到激发分子的第一激光时间，并记录激光探测模块140探测得到目标离子180的第二激光时间；
66.数据处理模块150，用于根据第一激光时间、第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到目标分子160的目标速度。
67.需要说明的是，为了精准控制气体脉冲阀、激光激发模块和激光探测模块间的触发信号时序，使其分别满足特定要求的时间间隔，本技术采用同一个延时信号发生器，分别对系统中的气体脉冲阀、激光激发模块和激光探测模块进行延时信号的提供。其中，延时信号发生器和激光激发模块、激光探测模块之间具备微秒与纳秒级别的灵敏度，以保证分子激发与探测频率相匹配，使得分子的飞行时间满足激发与探测间的时间差，从而完成一次分子的数据采集。
68.因此，由于流场中的分子具有一定的速度展宽，本技术采用“标记-读取”的分子速度测量方式，即只测量流场中极小部分的分子，并且运用高时间灵敏度的激光对飞行的气体分子进行标记，使得流场中被标记分子具有极小的速度展宽，极大地提升了分子速度测量的精度。同时为确保对流场内特定分子“写”和“读”操作的一致性，本技术采用延时信号发生器对包含多束激光的系统的时序采取精密的控制。
69.需要说明的是，请参阅图2，图2是本技术实施例提供的气体脉冲阀的一个可选的流程图。在本技术的一些实施例中，气体脉冲阀的具体执行过程可以包括但不限于步骤s210至步骤s220，下面结合图2对这两个步骤进行详细介绍。
70.步骤s210，接收延时信号发生器发送的第一延时触发信号，并根据第一延时触发信号启动气体脉冲阀；
71.步骤s220，气体脉冲阀喷出包含速度展宽的气体团，且气体团中包括目标分子。
72.在一些实施例的步骤s210至步骤s220中，气体脉冲阀的控制器接收延时信号发生器发送的第一延时触发信号，则延时信号发生器根据第一延时触发信号对应的第一延时间隔发送至气体脉冲阀。然后，气体脉冲阀开启并喷出具有速度展宽的气体团，该气体团中包括多个目标分子。
73.需要说明的是，本技术的气体脉冲阀可以通过脉冲式喷出多个相同的气体团，以实现在每个气体团上对一个目标分子进行速度测量。因此，本技术对多个气体团上的目标分子进行速度测量后，可以实现对整个气体团上全部分子的速度测量。
74.需要说明的是，如图3所示，图3为气体脉冲阀喷出的一个气体团(也称分子束)的速度宽度分布图，且气体团为测量温度为500k的氢气分子。其中，图中的每个三角表示一个目标分子，横坐标表示气体团中每个目标分子对应的速度大小，纵坐标表示分子束中每个目标分子的信号相对强度。并且，由于分子速度展宽符合高斯分布，且图中表示半高宽的两个目标分子之间的速度差约为0.5km/s，从而直观说明气体脉冲阀喷出具有速度展宽的气体团。
75.由此可知，气体脉冲阀喷出的一个气体团中，包括多个不同分子速度的目标分子，且不同速度的目标分子在分子速度测量系统中飞行时会根据速度的快慢逐渐形成如图1所示的长条，且长条的右端表示气体团中速度最快的，长条的左端表示气体团中速度最慢的。
76.需要说明的是，由于相关技术采用激光标记荧光探测的速度测量法，虽然探测时间较短但极大依赖于待测分子的荧光寿命，由于荧光标记后会随时距离增长而不断衰减，
并且对于一些很难通过荧光探测的分子和在长距离的飞行距离时无法进行准确测量。基于此，本技术采用共振增强多光子电离的方式。
77.具体地，首先，根据目标分子的能量跃迁信息设置激光激发模块的第一激光信号，该能量跃迁信息用于表示将目标分子对应的类型从基态v＝0变换到激发态v＝1的信息。因此，第一激光信号用于表示能够实现将目标分子的基态v＝0变换到激发态v＝1所需要的激光频率信息。本技术根据第一激光信号的激光对目标分子进行状态激发，得到激发态的激发分子。
78.需要说明的是，本技术的气体团可以适用于多种不同类型的分子组合。例如，当气体团中包含不同分子的气体团，则先确定需要进行速度测量的分子类型，然后根据该分子类型的能量跃迁信息调谐激光激发模块，使其满足激发波长等测量要求设置第一激光信号。当需要对另一种分子类型进行速度测量，则可以调整激光激发模块的第一激光信号，以实现对不同分子的激光标记。
79.需要说明的是，本技术的激光激发模块可以采用受激拉曼泵浦或红外泵浦的方式持续输出以激发目标分子，从而可以实现纳秒级的激发精度。
80.请参阅图4，图4是本技术实施例提供的激光激发模块的一个具体执行的流程图。在本技术的一些实施例中，激光激发模块的具体执行过程可以包括但不限于步骤s410至步骤s430，下面结合图4对这三个步骤进行详细介绍。
81.步骤s410，根据目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号；
82.步骤s420，接收延时信号发生器发送的第二延时触发信号，并根据第二延时触发信号启动激光激发模块；
83.步骤s430，根据第一激光信号对基态的目标分子进行状态激发，得到激发态的激发分子。
84.在一些实施例的步骤s410至步骤s430中，本技术根据目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号后，延时信号发生器根据第二延时触发信号对应的第二延时间隔发送至激光激发模块。然后，激光激发模块开启并向激发标记位置持续输出以激发飞行至激发标记位置的目标分子，得到激发态的激发分子。
85.需要说明的是，在激光激发模块对目标分子进行状态激发时，延时信号发生器会同时记录激光激发模块标记得到激发分子的第一激光时间，记为t0。则该第一激光时间也用于表示对目标分子进行速度测量的一个时间零点。相较于传统的分子速度测量装置与方法，本技术采用高时间分辨激光装置的分子标记测速法标记分子高速运动过程中的时间零点，具有极高精度的调控水平，能够显著地降低测量结果中存在的相应误差。
86.需要说明的是，由于不同的激光频率对应不同的能级，则激光激发模块采用不同的激光频率对目标分子进行状态激发时，能够实现对分子的标记。同时，虽然本技术对分子的标记随着飞行距离的延长而衰减较小，但是相比于相关技术采用荧光标记的方式，本技术的衰减速度较慢，能够实现长距离的分子速度测量。同时，本技术还能够对很难产生荧光信号的分子如氢气等进行速度的精确测量，即对分子速度测量的适用范围更广泛。
87.需要说明的是，本技术的激光激发模块对气体团中的分子进行标记时，可以通过调节第二延时触发信号对应的第二延时间隔，实现对相同的气体团中不同位置分子的激光标记，从而实现对气体团中每个分子的速度测量。
88.请参阅图1和图5，在本技术的一些实施例中，激光探测模块140包括激光探测单元141和电离收集器142，则激光探测模块140的具体执行过程具体包括但不限于步骤s510至步骤s530，下面结合图5对这三个步骤进行详细介绍。
89.步骤s510，激光探测单元141根据目标分子160的电荷分离信息设置第二激光信号；
90.步骤s520，激光探测单元141根据第二激光信号的激光对激发分子170进行电离，得到目标离子180；
91.步骤s530，当电离收集器142识别到目标离子180，通过延时信号发生器110记录得到目标离子180的第二激光时间。
92.在一些实施例的步骤s510至步骤s530中，本技术的激光激发模块在激发标记位置对气体团中的分子进行标记后，激发分子向前飞行以飞到激光探测位置。为了更灵敏地探测到标记的激发分子，本技术采用共振增强多光子电离的方式，即通过调谐激光探测模块，使其输出符合要求的第二激光信号。然后，通过第二激光信号的激光将飞行到激光探测位置的激发分子进行电离探测，即利用激光探测单元根据第二激光信号的激光对激发分子进行电离，得到目标离子。然后，电离的目标离子飞行到电离收集器，则在电离收集器识别到目标离子时，通过延时信号发生器记录激光探测模块探测得到目标离子的第二激光时间，记为t0。
93.需要说明的是，本技术的电荷分离信息用于表示将激发态v＝1的激发分子所包含的电子去掉的信息，则第二激光信号用于表示能够实现将激发态的激发分子所包含的电子去掉的激光频率信息。其中，第一激光信号和第二激光信号的激光频率不同。
94.需要说明的是，气体团中未被标记的分子在飞行到激光探测模块的激光探测位置也无法被识别出来，则不会进行电离。
95.在一些实施例中，在激光探测模块根据目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号之前，本技术的分子速度测量系统还包括：接收延时信号发生器发送的第三延时触发信号，并根据第三延时触发信号启动激光探测模块。
96.需要说明的是，本技术根据设置第二激光信号后，延时信号发生器根据第三延时触发信号对应的第三延时间隔发送至激光激发模块。然后，激光激发模块开启并向激光探测位置持续输出激光，以电离飞行至激光探测位置的激发分子，从而得到电离后的目标离子。
97.需要说明的是，由于得到的目标离子的能量较弱，本技术的电离收集器相当于一个雪崩放大器，可以将得到的目标离子的光信号放大成计算机可以识别的电信号，以确定目标分子是否成功电离，从而提高时间测量精度。
98.需要说明的是，本技术运用延时信号发生器在合理的范围内向激光探测模块发送延时信号的同时，通过数据处理模块获取分子的信号强度信息，从而可以依据激光激发模块和激光探测模块的时间间隔与采集到的信号强度，计算得到气体分子速度分布。
99.请参阅图1，在本技术的一些实施例中，激光探测单元141包括电极板143和激光探测器144，则该激光探测单元141根据第二激光信号的激光对激发分子170进行电离的具体执行过程包括：
100.当激发分子170飞行至电极板143的预设激发位置，激光探测器144根据第二激光
信号的激光对激发分子170进行电荷分离，得到目标离子180和核外电子；
101.根据电极板143对目标离子180和核外电子进行偏转，并将目标离子180发送至电离收集器142。
102.需要说明的是，本技术激光探测模块的预设激发位置即为激光探测位置，是指电极板143的正极板(+)和负极板(-)之间的中间区域与第二激光信号的激光相交的地方。其中，激光探测位置、激发标记位置和气体脉冲阀的喷气口处于同一条直线。
103.需要说明的是，本技术通过激光探测模块用于将标记的激发分子进行电离，以将激发态的激发分子电离为正离子和电子。由于正离子相比于电子更有质量，也更容易辨别，则本技术将电离后的正离子作为目标离子，则电子为核外电子。因此，根据电极板的极性，目标离子向负极板(-)方向飞出到电极板外，并收集到电离收集器中。当电离收集器收集到目标分子的目标离子，则延时信号发生器记录激光探测模块探测得到所述目标离子的第二激光时间。此外，核外电子向正极板(+)方向飞出到电极板外。
104.需要说明的是，本技术的激光探测模块可以采用受激拉曼泵浦或红外泵浦的方式持续输出以激发分子，从而可以实现纳秒级的激光探测精度。
105.需要说明的是，本技术的预设飞行距离用于表示激光激发模块和激光探测模块之间的距离差值，记为δs，例如，δs可以为0.5m、1m等，在此不作具体限定。
106.因此，本技术通过激光激发标记和激光电离探测的结合，并采用激光探测模块的电离收集器产生用于信号采集的离子信号，从而代替传统mtv方法中荧光读取ccd相机的系统，能够有效简化分子速度测速系统的系统结构，一定程度上降低了结构成本。此外，本技术采用激光激发标记和激光电离探测之间共振增强多光子电离的探测方式，两者之间的时间误差为纳秒级的，且本技术的系统结构可以适用于δs较大的速度测量中，并且具有较高的分子速度测量精度。
107.需要说明的是，本技术采用如氢气等共振增强多光子电离的方式同样适用，也可以对单个更稀薄的分子进行探测，在探测分子信号方面灵敏度较高。
108.需要说明的是，为了减弱外界气体对分子速度测量的干扰，本技术的分子速度测量系统可以置于一真空腔体内，其真空度可达到10-8
torr级别。其中，真空腔体具备多级差分真空系统，由气体脉冲阀的束源至激光激发和激光探测的检测点，真空度依次上升，以减弱对于检测的干扰。并且可以借由多级真空腔室之间的隔板完成系统的准直调整。
109.需要说明的是，数据处理模块可以为进行数据处理的计算机，即延时信号发生器将记录的时间数据发送到数据处理模块，以计算得到目标速度。
110.请参阅图6，图6是本技术实施例提供的分子速度测量方法的一个可选的流程图，应用于本技术上述实施例的一种分子速度测量系统。在一些实施例中，本技术实施例提供的分子速度测量方法具体可以包括但不限于步骤s610至步骤s670，下面结合图6对这七个步骤进行详细介绍。
111.步骤s610，根据延时信号发生器发送至激光激发模块的第二延时触发信号启动激光激发模块；
112.步骤s620，根据目标分子的能量跃迁信息设置激光激发模块的第一激光信号；
113.步骤s630，根据第一激光信号的激光对从气体脉冲阀喷出的目标分子在预设激发位置进行状态激发，得到第一激光时间；
114.步骤s640，接收延时信号发生器发送至激光探测模块的第三延时触发信号，并根据第三延时触发信号启动激光探测模块；
115.步骤s650，根据目标分子的电荷分离信息设置激光探测模块的第二激光信号；
116.步骤s660，根据第二激光信号在预设探测位置对激发分子进行电离，得到第二激光时间；
117.步骤s670，根据第一激光时间、第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到目标分子的目标速度。
118.在一些实施例的步骤s610至步骤s670中，示例性的，请参照图1，首先，延时信号发生器110输出第一延时触发信号，即输出第一延时间隔为t1的触发信号至气体脉冲阀120的控制器。气体脉冲阀120开启并通过时间间隔t4喷出气体团，以注入真空腔体内部。该气体团中包括多个目标分子160。出射的目标分子160经过t5的飞行时间到达与激光激发模块130发生相互作用的激发位置。其中，激光激发模块130会现根据目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号，延时信号发生器110输出第二延时触发信号，即根据输出的第二延时间隔t2的触发信号启动激光激发模块130，且第一激光信号到达与目标分子160发生相互作用的激发位置的时间为t6，且时间t6为固定值。同时，激光探测单元141根据目标分子160的电荷分离信息设置第二激光信号。延时信号发生器110输出第三延时触发信号，即根据输出的第三延时间隔t3的触发信号启动激光探测模块140，且第三激光信号到达与激发分子170发生相互作用的激光探测的时间为t7，且时间t7为固定值。然后，在激光激发模块130对目标分子进行状态激发时，延时信号发生器110会同时记录激光激发模块130标记得到激发分子的第一激光时间，记为t0。之后，标记的激发分子170所在的同一波包分子经过t8的时间间隔到达激光探测模块140的激光探测位置。在激光探测模块140对目标分子进行电离时，利用激光探测单元141根据第二激光信号的激光对激发分子170进行电离，得到目标离子180。然后，电离的目标离子180飞行到电离收集器，则在电离收集器142识别到目标离子180时，通过延时信号发生器110记录激光探测模块140探测得到目标离子的第二激光时间t0。
119.需要说明的是，目标分子160到达指定激发位置并进行标记得到激发分子的总时间为t0。为确保第一激光信号能够与目标分子160在该位置相遇，可以通过动态调节t2来实现目标分子与第一激光信号的激光在激发位置的相互作用。同理，可以动态调节t3来实现激发分子与第二激光信号的激光在激光探测位置的相互作用。
120.请参阅图7，图7是本技术实施例提供的步骤s670的一个可选的流程图。在一些实施例中，预设飞行距离用于表示激光激发模块和激光探测模块在目标分子的飞行方向上的映射距离。则步骤s670具体可以包括但不限于步骤s710至步骤s720，下面结合图7对这两个步骤进行详细介绍。
121.步骤s710，根据第一激光时间和第二激光时间确定激光时间差值；
122.步骤s720，根据激光时间差值和预设飞行距离进行速度计算，得到目标速度。
123.需要说明的是，本技术将第二激光时间t0减去第一激光时间t0，确定激光时间差值，记为δt。然后，根据预设飞行距离δs和激光时间差值δt进行速度计算，即根据δs/δt确定目标分子的目标速度。
124.本技术实施例在所提供的分子速度测量系统包含了具有纳秒级别灵敏度的激光激发模块与激光探测模块，能够使得整个过程中对气体分子飞行时间的测量能够达到纳秒
量级。相较于相关技术的分子测速方法，能够对超快气体分子速度进行精确且有效的测量。此外，相关技术的分子测速方法缺乏对时间零点的精确控制，使得测量结果具有一定的误差，而本技术实施例运用了高时间精度的激光激发和探测模块。因此，本技术除了具有无介入、不干扰、不接触测量、高时空分辨、高精度等优势外，还能够避免由于荧光标记后会随时距离增长而不断衰减，而无法进行长距离的精确测量的弊端。由此可知，本技术所提供的分子速度测量系统能够有效简化测速系统的结构和设计成本，并且能够给整个测量过程提供纳秒级别的时间控制，显著地提升了超快气体飞行速度的测量精度。
125.本技术实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个存储器，至少一个处理器，至少一个计算机程序，至少一个计算机程序被存储在至少一个存储器中，至少一个处理器执行至少一个计算机程序以实现上述实施例中任一种的分子速度测量方法。该计算机设备可以为包括平板电脑、车载电脑等任意智能终端。
126.请参阅图8，图8示意了另一实施例的一种计算机设备的硬件结构，该计算机设备包括：
127.处理器810，可以采用通用的中央处理器(central processing unit，cpu)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本技术实施例所提供的技术方案；
128.存储器820，可以采用只读存储器(read only memory，rom)、静态存储设备、动态存储设备或者随机存取存储器(random access memory，ram)等形式实现。存储器820可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器820中，并由处理器810来调用执行本技术实施例的分子速度测量方法；
129.输入/输出接口830，用于实现信息输入及输出；
130.通信接口840，用于实现本设备与其他设备的通信交互，可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信；
131.总线850，在设备的各个组件(例如处理器810、存储器820、输入/输出接口830和通信接口840)之间传输信息；
132.其中处理器810、存储器820、输入/输出接口830和通信接口840通过总线850实现彼此之间在设备内部的通信连接。
133.本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序用于使计算机执行上述实施例中的分子速度测量方法。
134.存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
135.本技术实施例描述的实施例是为了更加清楚的说明本技术实施例的技术方案，并不构成对于本技术实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本技术实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
136.本领域技术人员可以理解的是，图中示出的技术方案并不构成对本技术实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的步骤，或者组合某些步骤，或者不同的步骤。
137.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
138.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、设备中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。
139.本技术的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
140.应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
141.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
142.上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
143.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
144.集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括多指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例的方法的全部或部分步
骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，简称rom)、随机存取存储器(random access memory，简称ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序的介质。
145.以上参阅附图说明了本技术实施例的优选实施例，并非因此局限本技术实施例的权利范围。本领域技术人员不脱离本技术实施例的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本技术实施例的权利范围之内。

技术特征：
1.一种分子速度测量系统，其特征在于，所述系统包括：延时信号发生器、气体脉冲阀、激光激发模块、激光探测模块和数据处理模块，所述延时信号发生器分别与所述气体脉冲阀、所述激光激发模块、所述激光探测模块和所述数据处理模块通信连接；其中，所述气体脉冲阀，用于根据接收到的第一延时触发信号喷出目标分子；所述激光激发模块，用于根据所述目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号，根据所述第一激光信号的激光对所述目标分子进行状态激发，得到激发分子；所述激光探测模块，用于根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到目标离子；所述延时信号发生器，用于向所述气体脉冲阀发送所述第一延时触发信号，还用于记录所述激光激发模块标记得到所述激发分子的第一激光时间，并记录所述激光探测模块探测得到所述目标离子的第二激光时间；所述数据处理模块，用于根据所述第一激光时间、所述第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标分子的目标速度。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光探测模块包括激光探测单元和电离收集器，则所述激光探测模块，用于根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到目标离子，具体包括：所述激光探测单元根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号；所述激光探测单元根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到所述目标离子；当所述电离收集器识别到所述目标离子，通过所述延时信号发生器记录得到所述目标离子的所述第二激光时间。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述激光探测单元包括电极板和激光探测器，所述激光探测单元根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，得到所述目标离子，包括：当所述激发分子飞行至所述电极板的预设激发位置，所述激光探测器根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电荷分离，得到所述目标离子和核外电子；根据所述电极板对所述目标离子和核外电子进行偏转，并将所述目标离子发送至所述电离收集器。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光激发模块，用于根据所述目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号，根据所述第一激光信号对所述目标分子进行状态激发，得到激发分子，具体包括：根据所述目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号；接收所述延时信号发生器发送的第二延时触发信号，并根据所述第二延时触发信号启动所述激光激发模块；根据所述第一激光信号对基态的所述目标分子进行状态激发，得到激发态的所述激发分子。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述激光探测单元根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号之前，所述激光探测模块，用于根据所述目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据所述第二激光信号的激光对所述激发分子进行电离，
得到目标离子，具体还包括：接收所述延时信号发生器发送的第三延时触发信号，并根据所述第三延时触发信号启动所述激光探测模块。6.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述气体脉冲阀，用于根据接收到的第一延时触发信号喷出目标分子，包括：接收所述延时信号发生器发送的所述第一延时触发信号，并根据所述第一延时触发信号启动所述气体脉冲阀；所述气体脉冲阀喷出包含速度展宽的气体团，且所述气体团中包括目标分子。7.一种分子速度测量方法，应用于权利要求6所述的一种分子速度测量系统，其特征在于，所述方法包括：根据延时信号发生器发送至所述激光激发模块的第二延时触发信号启动所述激光激发模块；根据所述目标分子的能量跃迁信息设置所述激光激发模块的第一激光信号；根据所述第一激光信号的激光对从气体脉冲阀喷出的目标分子在预设激发位置进行状态激发，得到第一激光时间；根据所述延时信号发生器发送至激光探测模块的第三延时触发信号启动所述激光探测模块；根据所述目标分子的电荷分离信息设置所述激光探测模块的第二激光信号；根据所述第二激光信号在预设探测位置对所述激发分子进行电离得到的第二激光时间；根据所述第一激光时间、所述第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标分子的目标速度。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预设飞行距离用于表示所述激光激发模块和所述激光探测模块在所述目标分子的飞行方向上的映射距离，所述根据所述第一激光时间、所述第二激光时间和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标分子的目标速度，包括:根据所述第一激光时间和所述第二激光时间确定激光时间差值；根据所述激光时间差值和预设飞行距离进行速度计算，得到所述目标速度。9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个存储器；至少一个处理器；至少一个计算机程序；所述至少一个计算机程序被存储在所述至少一个存储器中，所述至少一个处理器执行所述至少一个计算机程序以实现：如权利要求7或8所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于使计算机执行：如权利要求7或8所述的方法。

技术总结
本申请实施例提供了一种分子速度测量系统、分子速度测量方法、设备及存储介质，属于物质测量技术领域。该系统包括：气体脉冲阀根据第一延时触发信号喷出目标分子；激光激发模块根据目标分子的能量跃迁信息设置第一激光信号，以对目标分子进行激发得到激发分子；激光探测模块根据目标分子的电荷分离信息设置第二激光信号，并根据第二激光信号对激发分子进行电离得到目标离子；延时信号发生器向气体脉冲阀发送第一延时触发信号，并记录第一激光时间和第二激光时间；数据处理模块根据第一激光时间、第二激光时间和预设飞行距离得到目标速度。本申请实施例能够通过采用激光电离探测的分子速度测量，能够有效提高对长距离的分子速度的测量精度。度的测量精度。度的测量精度。


技术研发人员：杨天罡 刘和洋 韩杰 肖越 谢雨润
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/4