一种无液氦低温扫描隧道显微镜的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无液氦低温扫描隧道显微镜。
【背景技术】
[0002]扫描隧道显微镜(STM)于1982年问世，为人类打开了微观世界和原子世界的一扇窗口。它是人们能够直接“看到”并“操纵”原子的媒介。它的出现导致了许多学科的突破性进展，如凝聚态物理、化学和生物学。同时，STM直接促成了纳米科学技术的兴起。所以，STM为数十年来科学界最重要的发明之一。
[0003]STM经过三十多年的发展，人们已经研发出一系列不同性能、各具特色的STM系统。例如，最简单的STM系统可以放在大气下工作，获得表面台阶形貌；性能更好的STM则需要放在超高真空中，以获得表面的原子级的分辨；而当今在凝聚态物理研究中最强有力的STM系统，是超高真空低温STM系统，其特点是能将STM探头整体冷却到液氦温区(4K左右)，在这个温度下能获得超高分辨和稳定的扫描隧道谱，乃至实现对单个原子的操控。在国外，已经有几家公司能够商业化生产超高真空低温STM,例如德国Omicron公司(现被牛津仪器并购)、美国RHK公司、日本JEOL和Unisoku公司等。而在国内最早的商业化低温STM是匡泰公司2011年推出的产品。
[0004]目前，所有国内外的这些低温STM，都要采用液氦来实现降温到4K的冷却功能。根据冷却的方式不同，可以分为两类冷却设备:一类采用连续流制冷，在工作中将液氦流连续通过冷却管道来实现冷却功能；另一类是静态杜瓦，即将液氦储存在杜瓦中，来维持杜瓦接触面的低温。无论采用哪种方式，在工作过程中都需要消耗掉大量液氦。以相对消耗量较低的液氦杜瓦而言，典型的较少的消耗量也能达到几升/天的程度。众所周知，由于氦气是不可再生资源，并且储量很少，据测算十几年内就要被完全消耗。当前，国际上氦气供不应求，其价格呈指数飙涨。更重要的是，在国内许多城市，即使出高价也无法获得氦气资源。这对需要使用低温STM进行的科研工作构成极大制约。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种无液氦低温扫描隧道显微镜，能够实现制冷剂的无消耗降温，降低使用成本。
[0006]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种无液氦低温扫描隧道显微镜，包括:制冷机，制冷机包括有制冷剂循环流动管，制冷剂在制冷剂循环流动管内循环流动制冷；以及真空室，连接至制冷机上，并由制冷机提供低温环境。
[0007]进一步地，无液氦低温扫描隧道显微镜还包括第一减震装置，第一减震装置密封连接在制冷机和真空室之间。
[0008]进一步地，第一减震装置包括:波纹管，连接在制冷机和真空室之间；支撑杆，连接在波纹管的第一端的第一连接板和波纹管的第二端的第二连接板之间，支撑杆包括第一螺杆和连接在第一螺杆第一端的减震垫，第一螺杆连接在第一连接板上，减震垫连接在第二连接板上。
[0009]进一步地，真空室内设置有探头安装座，无液氦低温扫描隧道显微镜还包括探头组件，探头组件包括探头架、探头和罩在探头架外的铜屏蔽罩，探头设置在探头架上，探头架通过第二减震装置设置在探头安装座上。
[0010]进一步地，第二减震装置包括减震弹簧，多个减震弹簧沿探头组件的周向均匀分布，探头架通过减震弹簧吊设在探头安装座上。
[0011]进一步地，第二减震装置还包括涡流减震装置，涡流减震装置包括:底盘，设置在铜屏蔽罩的底部；阻尼片，设置在探头架的底部；以及永磁体，对应于阻尼片设置在底盘的顶部。
[0012]进一步地，多个阻尼片和多个永磁体一一对应沿底盘的周向方向依次间隔交错排布。
[0013]进一步地，阻尼片为铜片，永磁体为钕铁硼磁铁。
[0014]进一步地，无液氦低温扫描隧道显微镜还包括推拉装置，推拉装置可伸缩地设置在探头安装座的底部，推拉装置具有支撑探头组件的第一位置和脱离探头组件的第二工作位置。
[0015]进一步地，推拉装置包括:第二螺杆，第二螺杆通过轴承设置在探头安装座上，第二螺杆位于探头安装座内的第一端设置有顶块，顶块与第二螺杆螺纹配合，并由第二螺杆驱动上下移动，第二螺杆的第二端设置有第一锥齿轮；以及磁力杆，磁力杆可转动地设置在真空室的侧壁上，磁力杆的第一端设置有与第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮，磁力杆的第二端设置有磁铁手柄。
[0016]应用本发明的技术方案，无液氦低温扫描隧道显微镜包括制冷机和真空室。制冷机包括有制冷剂循环流动管，制冷剂在制冷剂循环流动管内循环流动制冷。该无液氦低温扫描隧道显微镜通过使制冷剂在制冷剂循环流动管中循环流动，不产生蒸发消耗就能够对扫描探头进行制冷，从而达到所要求的低温环境，实现了无液氦消耗的低温扫描隧道显微镜系统，相比于传统的低温扫描隧道显微镜，其使用成本大大降低。
【附图说明】
[0017]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0018]图1示出了本发明的无液氦低温扫描隧道显微镜的实施例的主视结构示意图；
[0019]图2示出了本发明的无液氦低温扫描隧道显微镜的实施例的剖视结构示意图；
[0020]图3示出了图2的A处的局部放大示意图；
[0021]图4示出了本发明的无液氦低温扫描隧道显微镜的实施例的分解结构示意图；
[0022]图5示出了根据图4的无液氦低温扫描隧道显微镜的组装结构示意图；
[0023]图6示出了本发明的无液氦低温扫描隧道显微镜的实施例的涡流减震装置和探头组件的立体组装结构示意图；以及
[0024]图7示出了本发明的无液氦低温扫描隧道显微镜的实施例的涡流减震装置和探头组件的主视结构示意图。
[0025]附图标记:
[0026]10、制冷机；20、真空室；21、探头安装座；30、第一减震装置；31、波纹管；311、第一连接板；312、第二连接板；32、支撑杆；321、第一螺杆；322、减震垫；40、探头组件；41、探头架；42、探头；43、铜屏蔽罩；50、第二减震装置；51、减震弹簧；52、涡流减震装置；53、底盘；521、阻尼片；522、永磁体；60、推拉装置；61、第二螺杆；611、第一锥齿轮；612、顶块；62、磁力杆；621、第二锥齿轮；622、磁铁手柄。
【具体实施方式】
[0027]下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0028]如图1所示，根据本发明的实施例，该无液氦低温扫描隧道显微镜包括制冷机10和真空室20。制冷机10包括有制冷剂循环流动管，制冷剂在制冷剂循环流动管内循环流动制冷；真空室20连接至制冷机10上，并由制冷机10提供低温环境。
[0029]在现有的低温扫描隧道显微镜形成低温环境时，一般需要通过杜瓦来实现，在杜瓦工作时，需要在杜瓦内储存大量液氦，然后通过液氦的蒸发来维持杜瓦接触面的低温，从而保证扫描探头的低温环境。由于使用过程中液氦会蒸发消耗，因此如果要长时间保持低温环境，需要消耗大量的液氦，对企业成本造成较大压力。而在本发明中，无液氦低温扫描隧道显微镜采用制冷机来代替杜瓦系统，使制冷剂在制冷机的制冷剂循环流动管中循环流动，通过常规的换热来实现对真空室20内环境的换热制冷，因此不对参与制冷的制冷剂产生蒸发消耗，就能够达到所要求的低温环境，实现了制冷剂的无消耗效果，大大降低了低温扫描隧道显微镜的使用成本。
[0030]结合参见图2和图4所示，为了尽量减少制冷机10在制冷的过程中对无液氦低温扫描隧道显微镜造成的震动，无液氦低温扫描隧道显微镜还包括第一减震装置30。第一减震装置30密封连接在制冷机10和真空室20之间。优选地，第一减震装置30包括波纹管31和支撑杆32。波纹管31连接在制冷机10和真空室20之间；支撑杆32连接在波纹管31的第一端的第一连接板311和波纹管31的第二端的第二连接板312之间。支撑杆32包括第一螺杆321和减震垫322，减震垫322连接在第一螺杆321第一端，第一螺杆321连接在第一连接板311上，减震垫322连接在第二连接板312上。
[0031]在本实施例中，为了保持真空室20的真空稳定，该无液氦低温扫描隧道显微镜设置有真空泵系统。真空泵系统包括离子泵、分子泵和一个双级旋片机械泵，真空泵系统对真空室20进行抽真空，保证了无液氦低温扫描隧道显微镜的真空工作环境。
[0032]在本实施例中，减震垫322与第二连接板312连接的一端设置有螺纹连接孔，连接螺栓穿过第二连接板312之后连接在减震垫322的螺纹连接孔内，从而将第一减震装置30固定安装在第一连接板311和第二连接板312之间。由于第一螺杆321是通过减震垫322连接到第二连接板312上的，因此在发生震动时，减震垫322可以在第一连接板311和第二连接板312之间形成缓冲减震作用，降低震动对探头造成的影响。该减震垫322配合波纹管31 —起使用，可以更好地降低震动对无液氦低温扫描隧道显微镜造成的不利影响。
[0033]结合参见图3、图6和图7所示，优选地，真空室20内设置有探头安装座21，并且，无液氦低温扫描隧道显微镜还包括有探头组件40，探头组件40设置在探头安装座21上。具体地，探头组件40包括探头架41、探头42和罩设在探头架41外的铜屏蔽罩43，铜屏蔽罩43可以更好地保持探头42工作时的低温环境。
[0034]为了更进一步地减小制冷机10在制冷的过程中对无液氦低温扫描隧道显微镜造成的震动，无液氦低温扫描隧道显微镜还设置有第二减震装置50。探头架41通过第二减震装置50设置在探