一种微型原位测温高温原子分子蒸发和发射装置

1.本发明涉及原子分子发生源技术领域，尤其是涉及一种微型原位测温高温原子分子蒸发和发射装置。


背景技术：

2.原子分子蒸发和发射装置作为一种中性粒子源，目前已经被广泛应用到各种物理实验技术、镀膜技术、加速器原子分子源技术等领域应用中。而真空环境下的原子分子蒸发装置是基于降低外部压力可降低固体的升华温度这一物理原理制备而成，现有技术中，简单的原子分子束源是一个带有准直小孔的密封气室，经加温密封气室使样品达饱和蒸气压所需温度，原子分子蒸气即可从准直小孔喷射出来。但这种方式容易对外部产生高温辐射，使用时存在安全隐患，此外，这种方式无法对原子分子蒸气的束流半径以及喷射方向进行精密调控，也就不能很好地适用于不同粒子源的需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微型原位测温高温原子分子蒸发和发射装置，以能够在真空环境下实现原子分子蒸发和发射，同时有效减少高温辐射、精准调控原子分子蒸气的束流半径及喷射方向。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种微型原位测温高温原子分子蒸发和发射装置，包括真空连接支座，所述真空连接支座上安装有冷却套筒，所述冷却套筒的顶部从上至下依次安装有二级蒸气喷嘴、一级蒸气喷嘴和高温加热套筒，所述高温加热套筒内设置有双头坩埚，所述双头坩埚内放置有原子分子固态样品，所述双头坩埚的底部安装有测温探头，所述一级蒸气喷嘴和二级蒸气喷嘴均为可替换孔径式设计的蒸气喷出限束准直孔，所述冷却套筒用于冷却和屏蔽装置内部的高温；
5.所述高温加热套筒用于加热双头坩埚；
6.所述测温探头用于原位测量双头坩埚的内部温度；
7.所述一级蒸气喷嘴用于实现原子分子蒸气束流半径的一级限束和喷射方向的一级准直；
8.所述二级蒸气喷嘴用于实现原子分子蒸气束流半径的二级限束和喷射方向的二级准直。
9.进一步地，所述真空连接支座上焊接有冷却水管，所述真空连接支座的真空密封采用cf35刀口法兰标准，所述真空密封的非刀口面同心设置有用于焊接cf16刀口法兰的管道，所述cf16刀口法兰上安装有cf16四芯真空电极接口，其中，两芯真空电极接口用于连接测温探头，另外两芯真空电极接口用于连接至高温加热套筒。
10.进一步地，所述冷却套筒包括密封空心圆柱套筒，所述密封空心圆柱套筒的底部对称地安装有两根不锈钢管，所述不锈钢管用于刚性支撑密封空心圆柱套筒。
11.进一步地，所述不锈钢管的中部焊接在真空连接支座上。
12.进一步地，所述不锈钢管的一端与密封空心圆柱套筒的内部相连通，所述不锈钢管的另一端与真空外部相连通，所述不锈钢管内部流通循环有冷却水。
13.进一步地，所述高温加热套筒采用三层结构，包括由内至外依次设置的加热螺线管、高温陶瓷套筒和坦金属固定套筒，所述加热螺线管与cf16刀口法兰上的两芯真空电极接口相连接，所述高温陶瓷套筒用于电器绝缘，所述坦金属固定套筒用于高反射加热螺线管的热辐射。
14.进一步地，所述双头坩埚具体为内部不贯穿的双头开口薄壁陶瓷管，所述双头坩埚的上部开口深度大于下部开口深度，所述双头坩埚的上部用于填充原子分子固态样品，所述双头坩埚的下部用于安装测温探头。
15.进一步地，所述加热螺线管具体由经过热处理定型的高纯钨丝或者高纯钼丝制成，所述加热螺线管的加热温度为100～1500摄氏度。
16.进一步地，所述一级蒸气喷嘴和二级蒸气喷嘴的孔径范围为百微米至毫米。
17.进一步地，所述一级蒸气喷嘴和二级蒸气喷嘴的中心相互准直安装。
18.与现有技术相比，本发明将加热套筒、一级蒸气喷嘴和二级蒸气直接固定安装在冷却套筒内，能够有效减少装置向外的高温辐射，从而保证装置的使用安全性；
19.本发明中各组件采用同心回旋结构，具有结构小巧、高同轴度的优点，有利于提高加工和装配精度；
20.本发明中首次采用可替换孔径式的一级蒸气喷嘴和二级喷气喷嘴，基于可替换喷嘴的结构，可根据需求选择百微米到毫米孔径的喷嘴，实现原子分子蒸气束流半径的一、二级限束和喷射方向的一、二级准直，从而能够对原子分子蒸气束流半径和喷射方向进行精密调控，适用不同需求的粒子源；
21.本发明中首次采用双头坩埚结构，并配合坩埚底部安装的测温探头，可实现对坩埚内样品温度的原位测温，以精准控制样品的加热温度；
22.本发明中高温加热套筒采用三层结构，内层加热螺线管采用高纯钨丝或者钼丝，中层采用耐高温绝缘陶瓷套、外层采用反热辐射的钽金属套筒，不仅能产生高达1500摄氏度的加热温度，而且能够减小热辐射、保证加热安全性。
附图说明
23.图1为本发明的装置结构示意图；
24.图2为本发明的外形立体结构示意图；
25.图中标记说明：a、二级蒸气喷嘴，b、一级蒸气喷嘴，c、冷却套筒，d、高温加热套筒，e、双头坩埚，f、测温探头，g、真空连接支座。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
27.实施例
28.如图1和图2所示，一种微型原位测温高温原子分子蒸发和发射装置，包括：真空连接支座g、冷却套筒c、高温加热套筒d、双头坩埚e、测温探头f、一级蒸气喷嘴b和二级蒸气喷嘴a。其中：真空连接支座g用于焊接冷却水管和真空电极接口，并作为真空密封连接接口；
29.冷却套筒c用于冷却和屏蔽装置内部的高温；
30.高温加热套筒d用于产生加热双头坩埚e所需的热量；
31.双头坩埚e用于放置待加热样品和安装测温探头f；
32.测温探头f安装到双头坩埚e底部，用于原位测量双头坩埚e的内部温度；
33.一级蒸气喷嘴b为可替换孔径式设计的第一级蒸气喷出限束准直孔；
34.二级蒸气喷嘴a为可替换孔径式设计的第二级蒸气喷出限束准直孔。
35.具体的，真空连接支座g的真空密封采用cf35刀口法兰标准，在其非刀口面同心焊接一小管道，该小管道用于焊接cf16刀口法兰，该法兰用于安装cf16四芯真空电极接口。其中，两芯真空电极用于连接测温探头，另外两芯真空电极用于连接至高温加热套筒d中的加热螺线管，在其真空法兰面上贯穿焊接用于刚性支撑冷却套筒c的两根不锈钢水管。
36.冷却套筒c由一个密封空心圆柱套筒和两根不锈钢管组成，套筒下方左右对称焊接两根不锈钢管，不锈钢管的外壁中部焊接到真空连接支座g上，不锈钢管用于刚性支撑冷却套筒c。不锈钢管将空心密封套筒内部和真空外部贯通，用于流通循环冷却水。冷却套筒c头部用于安装高温加热套筒d、一级蒸气喷嘴b和二级蒸气喷嘴a。
37.高温加热套筒d为三层套筒结构，由内到外依次为加热螺线管、高温陶瓷套筒和坦金属固定套筒。其中内层是加热螺线管，由经过热处理定型的高纯钨丝或者高纯钼丝制成。中层是高温陶瓷套筒，起电气绝缘作用。外层是内壁抛光的钽金属固定套筒，可高反射加热螺线管的热辐射。选用高纯钨丝或者钼丝制作的加热螺线管，可对双头坩埚e内的样品进行100至1500摄氏度的加热。
38.双头坩埚e由内部不贯穿的双头开口薄壁陶瓷管制成，在实际应用中，可视样品要求，选用不同种类的耐高温陶瓷。双头坩埚e的上部开口深度比下部开口深，上部用于填充原子分子固态样品，下部用于安装测温探头f，可实现坩埚e内部的原位测温，将双头坩埚e插入到高温加热套筒d中加热，并配合坩埚e底部安装的测温探头f，通过对坩埚e内样品温度的原位测温，能够精准控制样品的加热温度。
39.一级蒸气喷嘴b为可替换孔径式设计的第一级蒸气喷出限束准直孔，可选择百微米到毫米孔径的喷嘴，以实现原子分子蒸气束流半径的一级限束和喷射方向的一级准直；二级蒸气喷嘴a为可替换孔径式设计的第二级蒸气喷出限束准直孔，可选择百微米到毫米孔径的喷嘴，以实现原子分子蒸气束流半径的二级限束和喷射方向的二级准直。通过更换不同孔径大小的一级蒸气喷嘴b和二级蒸气喷嘴a组合，并完成对两级喷嘴的物理准直安装，即可有效实现原子分子蒸气束流半径和喷射方向的精密调控。
40.将上述技术方案应用于实际，具体的安装使用过程为：建立组装好本装置后，首先，完成样品装载；
41.第二步，完成一级蒸气喷嘴和二级蒸气喷嘴物理对中准直；
42.第三步，把装置安装到真空系统中，并打开真空维持装置；
43.第四步，把稳压直流电源连接到两根加热螺线管的真空电极上；
44.第五步，把温度计连接到两根测温探头的真空电极上；
45.第六步，把冷却循环冷水接到连接到不锈钢管上，并开通冷水系统；
46.第七步，待系统真空稳定好，观察系统真空计和温度计，以不影响系统真空状态为前提，逐步增加加热直流大小以逐步达到所需加热温度。
47.综上可知，本技术方案将加热套筒、一级蒸气喷嘴和二级蒸气喷嘴直接固定在冷却套筒内，可大大减少装置向外的高温热辐射。采用双头坩埚结构，可高精度地原位测量样品的温度。采用三层套筒结构的高温加热套筒可产生达1500摄氏度的加热温度。采用可替换孔径式设计的一级和二级蒸气喷嘴，可产生半径从百微米至毫米级的高准直性原子分子束流。原子分子加热炉整体焊接在一个带有四芯电极的真空连接支座上，装置结构小巧，便于多场景应用。