低温样品支架的制作方法

本发明涉及低温制冷领域，特别是涉及一种低温样品支架。

背景技术：

低温是一种重要物理环境，对科学研究及应用均有重大意义。目前的真空低温样品支架使用机械传动装置与处于真空腔体外处于室温的运动控制单元相连接以完成样品的转动并使用差分抽气旋转密封装置(dprs，differentiallypumpedrotaryseals)实现样品支架相对真空腔的整体转动。这样的设计有两个缺点。其一，装置庞大复杂，并且有真空泄露的危险。其二，由于采用机械传动装置，存在真空腔的内部低温部件与外部高温环境之间较大热导率的传热通道，不易实现更低的样品温度。目前采用机械传动的六自由度液态氦-4低温样品支架仅能达到5k以上的温度。因此，如何降低真空腔的内部低温部件与外部高温环境之间传热通道的热导率，以实现更低的制冷温度，是亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温样品支架，用于解决现有技术中装置庞大复杂、具有真空泄露的危险，以及存在内部低温部件与外部室温环境之间较大热导率的传热通道，不易实现更低的样品温度的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低温样品支架，其中，所述低温样品支架至少包括：电动运动机构，制冷装置以及三维移动装置；其中，所述电动运动机构用以通过电驱动使样品相对所述制冷装置运动，所述制冷装置用以实现所述样品的低温温度，所述三维移动装置用以实现所述制冷装置和所述电动运动机构相对于所述真空腔的三维移动。

优选地，所述电动运动机构包括：至少一个电动旋转运动机构或者至少一个电动直线运动机构。

优选地，所述电动运动机构至少包括：第一电动旋转运动机构，第二电动旋转运动机构以及第三电动旋转运动机构；所述第一电动旋转运动机构位于所述低温样品支架的顶端，所述第二电动旋转运动机构固定于所述第一电动旋转运动机构上，所述第三电动旋转运动机构固定于所述第二电动旋转运动机构上，并承载所述样品；其中，所述第一电动旋转运动机构用于提供所述第二电动旋转运动机构、所述第三电动旋转运动机构和所述样品绕x轴的转动自由度，所述第二电动旋转运动机构用于提供所述第三电动旋转运动机构和所述样品绕y轴的转动自由度，所述第三电动旋转运动机构用于提供所述样品绕z轴的转动自由度。

优选地，所述电动旋转运动机构至少包括：真空电机，转动部件，真空轴承，传动部件以及支撑部件；其中，所述真空电机用以通过所述传动部件驱动所述转动部件相对于所述支撑部件转动，所述转动部件用以承载所述样品或者另一所述电动运动机构，所述真空轴承与所述支撑部件用以共同对所述转动部件进行空间限制，以保证在装载或移除所述样品时真空电机不受力，并实现所述转动部件与所述支撑部件之间的低摩擦相对运动。

优选地，所述电动直线运动机构至少包括：真空电机，真空轴承，传动部件，支撑部件，导轨以及直线运动部件；其中，所述真空电机用以通过所述转动部件驱动所述直线运动部件相对于所述导轨运动，从而相对于所述支撑部件运动，所述直线运动部件用以承载所述样品或者另一所述电动运动机构，所述真空轴承、所述导轨与所述支撑部件用以共同对所述传动部件或所述直线运动部件进行空间限制，以保证在所述直线运动部件上装载或移除所述样品时真空电机不受力，并实现所述传动部件与所述支撑部件之间或者所述直线运动部件与所述导轨之间的低摩擦相对运动。

优选地，所述真空电机采用具有位置编码器的陶瓷真空电机，并通过合金线与位于所述真空腔外部的控制器相连，以控制所述真空电机中运动部件的旋转或平移。

优选地，所述合金线采用康铜线、磷锡铜线、锰铜线或者德银线。

优选地，所述真空轴承采用陶瓷真空轴承。

优选地，所述传动部件由齿轮组构成。

优选地，所述转动部件、所述传动部件以及所述支撑部件均采用无氧铜材质且表面镀金。

优选地，所述转动部件上具有插槽，所述样品通过插入所述插槽中并由弹簧片或螺栓紧压在所述插槽上，以实现与所述插槽之间的良好热传导；所述制冷装置与所述插槽通过柔性导热通路相连，以保证所述样品与所述制冷装置之间的良好热传导。

优选地，所述电动旋转运动机构还包括：配重块；所述配重块用以将所述转动部件及其上搭载的所有部件的整体重心调整到所述转动部件的转轴上，从而降低驱动其旋转所需要的力矩。

优选地，所述转动部件、所述传动部件、所述支撑部件以及所述直线运动部件均采用无氧铜材质且表面镀金。

优选地，所述直线运动部件上具有插槽，所述样品通过插入所述插槽中并由弹簧片或螺栓紧压在所述插槽上，以实现所述样品与所述插槽之间的良好热接触，所述制冷装置与所述插槽通过柔性导热通路相连，以保证所述样品与所述制冷装置之间的良好热传导。

优选地，所述电动直线运动机构还包括：配重块；所述配重块用以将所述转动部件及其上搭载的所有部件的整体重心调整到所述转动部件的转轴上，从而降低驱动其转动所需要的力矩。

优选地，在所述电动运动机构和所述制冷装置间垫付蓝宝石晶片，用以保证良好的热传导，同时实现所述样品与所述制冷装置间及所述真空腔之间的电绝缘。

优选地，所述制冷装置至少包括：低温冷冻机，热屏蔽罩；其中，所述电动运动机构位于所述热屏蔽罩内，所述热屏蔽罩与所述低温冷冻机的冷端相连，以隔绝所述热屏蔽罩的内部低温部件与外部室温环境之间通过热辐射进行的热交换，所述低温冷冻机的冷端还通过柔性导热通路与所述样品的装载部位相连，以实现所述低温冷冻机的冷端与所述样品之间的良好热传导。

优选地，所述低温冷冻机采用液氦冷冻机、稀释冷冻机或者绝热去磁冷冻机。

优选地，所述低温冷冻机采用液氦冷阱。

优选地，所述柔性导热通路采用由无氧铜丝编制而成的无氧铜辫子并表面镀金，所述热屏蔽罩采用无氧铜制备并表面镀金。

优选地，所述制冷装置还包括：温度计；所述温度计位于所述真空腔内，用以测量所述样品、所述低温冷冻机的冷端以及所述低温样品支架中各低温部件的温度。

优选地，所述温度计与位于所述真空腔外部的电源通过合金线进行电连接，所述温度计采用二极管温度计、磁化率温度计或者电阻温度计。

优选地，所述低温样品支架的各个部件的连接处均垫付高纯铟、高纯银或者高纯金薄膜，用以实现各个部件之间的良好热接触。

如上所述，本发明的低温样品支架，具有以下有益效果：

本发明的低温样品支架，通过电驱动使样品相对真空腔运动，并实现样品的低温温度，且电动运动机构与外部室温环境之间的热传导仅包括由合金线构成的导热通道，有效地降低了低温部件与外界室温环境之间传热通道的热导率，因而能够实现更低的样品温度；与现有技术相比，本发明无需采用差分抽气旋转密封装置就能够实现样品相对真空腔的转动，降低了真空泄露的危险，并使整个支架的结构更紧凑、更小。

附图说明

图1显示为本发明第一实施方式的低温样品支架的结构示意图。

图2显示为本发明第一实施方式的低温样品支架中电动旋转运动机构的结构示意图。

图3显示为本发明第二实施方式的低温样品支架中电动直线运动机构的结构示意图。

图4显示为本发明第三实施方式的低温样品支架的结构示意图。

元件标号说明

1’制冷装置

1低温冷冻机

2i级冷端

3ii级冷端

41第一电动旋转运动机构

42第二电动旋转运动机构

43第三电动旋转运动机构

5柔性导热通路

6热屏蔽罩

7三维移动装置

8样品

9转动部件

10支撑部件

10’导轨

11真空轴承

12传动部件

13真空电机

14直线运动部件

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可以随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明的第一实施方式涉及一种低温样品支架，位于真空腔内，用于对样品8进行三维转动并冷却至低温。

如图1所示，本实施方式的低温样品支架至少包括：电动运动机构，制冷装置1’以及三维移动装置7；其中，电动运动机构用以通过电驱动使样品8相对制冷装置1’运动，制冷装置1’用以实现样品8的低温温度，三维移动装置7用以实现制冷装置1’和电动运动机构相对于真空腔的三维移动。

需要说明的是，在本实施方式中，如图1所示，由于三维移动装置7可以实现制冷装置1’和电动运动机构相对于真空腔的三维移动，电动运动机构又可以通过电驱动使样品8相对制冷装置1’运动，因此，本实施方式的低温样品支架可以实现样品8相对于真空腔的三维平动和三维转动共六个自由度的运动。

在本实施方式中，如图1所示，电动运动机构至少包括三个电动旋转运动机构。具体地说，电动运动机构至少包括：第一电动旋转运动机构41，第二电动旋转运动机构42以及第三电动旋转运动机构43；第一电动旋转运动机构41位于低温样品支架的顶端，第二电动旋转运动机构42固定于第一电动旋转运动机构41上，第三电动旋转运动机构43固定于第二电动旋转运动机构42上，并承载样品8；其中，第一电动旋转运动机构41用于提供第二电动旋转运动机构42、第三电动旋转运动机构43和样品8绕x轴的转动自由度，第二电动旋转运动机构42用于提供第三电动旋转运动机构43和样品8绕y轴的转动自由度，第三电动旋转运动机构43用于提供样品8绕z轴的转动自由度。

在实际应用中，如图1所示的电动运动机构可以实现绕x、y、z轴的三自由度转动。

此外，在本实施方式中，如图1所示，制冷装置1’位于低温样品支架的顶端，且制冷装置1’与电动运动机构相连，具体地说，第一电动旋转运动机构41固定在制冷装置1’的底端。并且，在电动运动机构和制冷装置1’间垫付蓝宝石晶片，用以保证良好的热传导，同时实现样品8与制冷装置1’之间的电绝缘。

值得一提的是，本实施方式中的电动运动机构通过合金线与位于外界的电源实现电连接，合金线采用康铜线、磷锡铜线、锰铜线或者德银线，因而电动运动机构与外部室温环境之间的热传导仅包括由合金线构成的导热通道，由于合金线具有低热导率和电导率比值，可以使此导热通道具有极小的热导率，因此有效地降低了低温样品支架内的低温部件与外界室温环境之间传热通道的热导率，从而实现更低的样品8温度。

本实施方式的低温样品支架，无需采用差分抽气旋转密封装置就能够实现样品8相对真空腔的转动，降低了真空泄露的危险，并使整个支架的结构更紧凑、更小。

图1中电动旋转运动机构的一种优选结构请参阅图2，具体地说：

在本实施方式中，如图2所示，该电动运动旋转机构至少包括：真空电机13，转动部件9，真空轴承11，传动部件12以及支撑部件10；其中，真空电机13用以通过传动部件12驱动转动部件9相对于支撑部件10转动，转动部件9用以承载样品8或者另一电动运动机构，真空轴承11与支撑部件10用以共同对转动部件9进行空间限制，以保证在转动部件9上装载或移除样品8时真空电机13不受力，并实现转动部件9与支撑部件10之间的低摩擦相对运动。

另外，在本实施方式或者其他实施方式中，真空电机13可以采用具有位置编码器的陶瓷真空电机13，并通过合金线与位于真空腔外部的控制器相连，以控制真空电机13中运动部件的旋转或平移。合金线采用康铜线、磷锡铜线、锰铜线或者德银线；真空轴承11采用陶瓷真空轴承11。使用低热导率和电导率比值的合金线可以使低温部件与室温环境之间的导热通道具有极小的热导率，从而实现比常规的配备机械转动装置的低温样品支架更低的样品8温度。

另外，在本实施方式中，传动部件12由齿轮组构成。

另外，在本实施方式中，转动部件9、传动部件12以及支撑部件10均采用无氧铜材质且表面镀金。值得一提的是，表面镀金能够降低发射率，从而降低基于热辐射的导热通道的热传导，而铜具有无磁性及良好的热导率等特点，并适于加工转动部件9、传动部件12以及支撑部件10。

另外，在本实施方式中，转动部件9上具有插槽，样品8通过插入插槽中并由弹簧片或螺栓紧压在插槽上，以实现样品8与转动部件9之间的良好热接触；插槽还通过柔性导热通路5与制冷装置1‘直接相连，以保证样品8与制冷装置1’之间的良好热传导。优选地，柔性导热通路5采用由无氧铜丝编制而成的无氧铜辫子并表面镀金。

另外，在本实施方式中，电动旋转运动机构还包括：配重块；配重块用以将转动部件9及其上搭载的所有部件的整体重心调整到转动部件9的转轴上，从而降低驱动转动部件9旋转所需要的力矩。具体地说，配重块加装于转动部件9上或其搭载的任一部件上，从而可以将整体重心调整到转动部件9的转轴上，有效地降低了驱动转动部件9旋转所需要的真空电机13的输出力矩。

陶瓷真空电机13具有超高真空兼容、无磁性、运动精度高等优点，而输出力矩较小、受力后易破损是其缺点。在进行真空内的样品8传输时，需要拔插固定在插槽中的样品8，会对转动部件9施以较大的作用力。在本实施方式中，此作用力通过真空轴承11最终施加在支撑部件10上，由于陶瓷真空电机13不和转动部件9直接接触，不会感受到此作用力，也就不易破损。也就是说，真空轴承11和支撑部件10承担对转动部件9的空间限制与支撑，并保证样品8在转动部件9上装载或移除过程中陶瓷真空电机13不受力，有效解决了陶瓷真空电机13受力后易破损的问题。另外，通过在转动部件9上加装配重块，可以将转动部件9及其上搭载所有部件的整体重心调整到转轴上，从而降低对陶瓷真空电机13的输出力矩要求，有效解决了陶瓷真空电机13输出力矩小的问题。

本实施方式的低温样品支架，采用电动运动机构及制冷装置1’，通过电驱动使样品8相对真空腔运动，并实现样品8的低温温度；并且，电动运动机构与外部高温环境之间的热传导仅包括由合金导线构成的导热通道，有效降低了真空腔的内部低温部件与外界高温之间传热通道的热导率，因而能够实现更低的样品8温度，以及更低的真空泄露风险和更紧凑的结构、更小的体积；并且，真空轴承11与支撑部件10共同承担对转动部件9的空间限制与支撑，以保证在转动部件9上装载或移除样品8时真空电机13不受力，并实现转动部件9与支撑部件10间的低摩擦相对运动。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各运动机构，在实际应用中，一个运动机构可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

请参阅图3，本发明的第二实施方式涉及一种低温样品支架，位于真空腔内，用于对样品8进行直线平移并冷却至低温。本实施方式是相对于本发明第一实施方式中对样品8进行三维转动并冷却至低温的低温样品支架的另一种结构，具体地说：

在本实施方式中，如图3所示，电动运动机构至少包括一个电动直线运动机构。并且，该电动直线运动机构至少包括：真空电机13，转动部件9，真空轴承11，传动部件12，支撑部件10，导轨10’以及直线运动部件14；其中，真空电机13用以通过转动部件9驱动直线运动部件14相对于导轨10’运动，从而相对于支撑部件10运动，直线运动部件14用以承载所述样品8或者另一电动运动机构，真空轴承11与支撑部件10及导轨10’用以共同对传动部件12或直线运动部件14进行空间限制，以保证在直线运动部件14上装载或移除样品8时真空电机13不受力，并实现转动部件9与支撑部件10之间或者直线运动部件14与导轨10’之间的低摩擦相对运动。其中，如图3所示，真空电机13通过传动部件12驱动转动部件9，再通过另一个传动部件12驱动支撑在导轨10’和支撑部件10上的直线运动部件14相对于支撑部件10运动。

另外，在本实施方式中，转动部件9、传动部件12、支撑部件10以及直线运动部件14均采用无氧铜材质且表面镀金。值得一提的是，表面镀金能够降低发射率，从而降低热传导，而铜具有无磁性及良好的热导率，适于加工转动部件9、传动部件12、支撑部件10以及直线运动部件14。

另外，在本实施方式中，直线运动部件14上具有插槽，样品8通过插入插槽中并由弹簧片或螺栓紧压在插槽上，以实现样品8与插槽间的良好热接触，插槽还通过柔性导热通路5与制冷装置1’直接相连，以保证样品8与制冷装置1’之间的良好热传导。优选地，柔性导热通路5采用由无氧铜丝编制而成的无氧铜辫子并表面镀金。

另外，在本实施方式中，电动直线运动机构还包括：配重块；配重块用以将转动部件9及其搭载的所有部件的整体重心调整到转动部件9的转轴上，从而降低驱动其转动所需要的力矩。具体地说，配重块加装于转动部件9或其搭载的任一部件上，能够将整体重心调整到转动部件9的转轴上，从而降低驱动转动部件9转动所需要的真空电机13的输出力矩。

在实际应用中，如图2所示的电动旋转运动机构和/或如图3所示的电动直线运动机构可以多重组合实现多自由度的直线及旋转运动，以满足不同的需求。

如图4所示，本发明的第三实施方式涉及一种低温样品支架。本实施方式在本发明第一实施方式的基础上进行了改进，具体地说：

在本实施方式中，制冷装置1’至少包括：低温冷冻机1，热屏蔽罩6；其中，电动运动机构位于热屏蔽罩6内，热屏蔽罩6与低温冷冻机1的冷端相连，以隔绝热屏蔽罩6内部的低温部件与外部室温环境之间通过热辐射进行的热交换，低温冷冻机1的冷端还通过柔性导热通路5与样品8的装载部位相连，以实现低温冷冻机1的冷端与样品8之间的良好热传导。

具体地说，低温冷冻机1可以具有i级冷端2和ii级冷端3，i级冷端2和ii级冷端3均位于低温冷冻机1的底部，i级冷端2与热屏蔽罩6相连接，ii级冷端3位于i级冷端2内，并通过柔性导热通路5连接装载样品8的插槽，ii级冷端3还连接电动运动机构。

另外，在本实施方式中，ii级冷端3连接电动运动机构1中的支撑部件，且与支撑部件之间垫付蓝宝石晶片，以保证ii级冷端3与支撑部件之间的良好热传导以及样品8与ii级冷端3及真空腔之间的电绝缘。

另外，在本实施方式中，热屏蔽罩6与低温冷冻机1的冷端相连，并保持在一个较低的温度。作为一个示例，热屏蔽罩6的温度接近于100k。作为另一个示例，热屏蔽罩6的温度略高于样品8的温度。

另外，如图4所示，在本实施方式中，电动运动机构包括三个电动旋转运动机构，第一电动旋转运动机构41连接在低温冷冻机1的ii级冷端3上，即第一电动旋转运动机构41中的支撑部件10固定在低温冷冻机1的ii级冷端3上；第二电动旋转运动机构42的支撑部件10固定于第一电动旋转运动机构41的转动部件9上，第三电动旋转运动机构43的支撑部件10固定于第二电动旋转运动机构42的转动部件9上。

另外，由于样品8通过三个电动旋转运动机构与低温冷冻机1的ii级冷端3间建立的导热通道不是一个良好的导热通道，使用柔性导热通路5直接连接装载样品8的位于第三电动旋转运动机构43中的转动部件9上的插槽和低温冷冻机1的ii级冷端3，以建立样品8与ii级冷端3之间的良好导热通道。

另外，在本实施方式中，低温冷冻机1可以采用液氦冷冻机、稀释冷冻机或者绝热去磁冷冻机，也可以采用液氦冷阱。

此外，在本实施方式中，制冷装置1’还包括：温度计；温度计位于真空腔内，用以测量样品8、低温冷冻机1的冷端以及低温样品支架中各低温部件的温度。其中，温度计与位于真空腔外部的电源通过合金线进行电连接，温度计采用二极管温度计、磁化率温度计或者电阻温度计。优选地，合金线采用康铜线、磷锡铜线、锰铜线或者德银线。

另外，在本实施方式或者其他实施方式中，制冷装置1’的各个部件的连接处均可以垫付高纯铟、高纯银或者高纯金薄膜，用以实现各个部件之间的良好热接触。

另外，为了降低热屏蔽罩6内部低温部件与热屏蔽罩6之间和热屏蔽罩与真空腔之间由热辐射引起的热传导，热屏蔽罩6及热屏蔽罩6内的所有低温部件均在表面施以镀金层以降低发射率。并且，由于铜具有无磁性及良好的热导率，热屏蔽罩6和真空腔内除去陶瓷电机和陶瓷轴承的所有低温部件均由无氧铜加工而成。

在实际应用中，如图4所示的低温样品支架可以实现低温样品8相对于真空腔的三自由度转动和三自由度平动共六自由度的运动，以闭循环氦-4冷冻机为例，已经实现了3.5k的样品温度。在同样的低温冷冻机等外部条件不变的情况下，相较于现有技术中采用机械传动的六自由度液态氦-4低温样品支架仅能达到5k以上的温度而言，大大降低了样品温度。当然，在其他实际应用中，电动运动机构也可根据实际需要，采用图2所示的电动旋转运动机构和/或图3所示的电动直线运动机构进行多重组合，以实现多自由度的直线及旋转运动。

本实施方式的低温样品支架，采用上述制冷装置1’以及本发明第一实施方式和第二实施方式相结合的电动运动机构，实现了样品相对真空腔的多自由度运动，同时实现了更低的样品温度；与现有技术相比，本实施方式无需采用差分抽气旋转密封装置就能够实现样品8相对真空腔的转动，降低了真空泄露的危险，并使整个装置的结构更紧凑、体积更小。

需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上述仅仅只是例示，而非对本发明的限制，事实上，任何采用真空电机13驱动样品8的转动或平动，利用真空轴承11与支撑部件10承担对转动部件9或直线运动部件14的空间限制与支撑，并保证在样品8拔插过程中真空电机13不受力的设计，均包含在本发明的范围内。

综上所述，本发明的低温样品支架，具有以下有益效果：

本发明的低温样品支架，通过电驱动使样品相对真空腔运动，且电动运动机构与外部室温环境之间的热传导仅包括由合金导线构成的导热通道，有效地降低了低温部件与外界室温环境之间传热通道的热导率，因而能够实现更低的样品温度；与现有技术相比，本发明无需采用差分抽气旋转密封装置就能够实现样品相对真空腔的转动，降低了真空泄露的危险，并使整个支架的结构更紧凑、更小。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。