CN107525846A - 一种超高真空兼容的低温强磁场原位输运装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高真空兼容的低温强磁场原位输运装置，属于真空仪器设备领域。该装置由特殊定制的低温强磁场***、超高真空腔***、表面调控***和支撑***组成。本发明的核心部分在于超高真空腔***、表面调控***；超高真空***上下分别与特殊定制的低温强磁场***和表面调控***连接，其中超高真空***由主腔体、商用泵体组成，而主腔体则由空心圆柱状的304或316不锈钢加工而成，主腔体上气密焊有法兰接口，可以与操作杆、晶振膜厚监测装置等功能模块采用CF法兰的方式固定；表面调控***由特制差分抽气旋转平台、特制大法兰、微调平移台、主操作杆和各种表面科学装置组成，彼此之间通过CF法兰的方式固定。本发明将传统物性测量装置与表面科学装置相结合，从而实现样品在超高真空与低温强磁场环境中的原位输运测量。

Description

一种超高真空兼容的低温强磁场原位输运装置
技术领域
本发明属于真空设备仪器领域，涉及一种原位输运测量的装置,尤其是一种一种超高真空兼容的低温强磁场原位输运装置。
背景技术
原位输运测量装置是将传统物性测量装置与表面科学装置相结合的一种新型测量装置。通常来说传统输运手段只能测量固定性质的样品，相较而言原位输运手段的优势在于在测量过程中实验人员可以不用破坏真空，通过表面科学装置连续地对于测量器件做出修饰，从而调控样品的性质。因此原位输运测量是验证影响样品性质更为直接的手段。然而目前全球并没有商用的原位输运测量***出售，用户必须通过自己的使用目的来进行自行设计组装。由于设计和制造技术复杂，目前国际上已有的原位测量***或者缺少强磁场，或者表面修饰手段单一，或者样品装卸的时候需要暴露在空气里面。一般来说，原位输运测量装置需要包括真空产生***、真空检测***、极低温产生***、强磁场产生***、在连续真空内样品空间的低温密封和开放操作机制等等。针对目前世界上设备存在功能不够丰富、设计不完整等问题我们对此进行了大量首创性设计。
发明内容
本发明实现样品在超高真空与低温强磁场环境中的原位输运测量，提出一种能够在连续超高真空环境中完成从样品的表面修饰加工到数据采集全部过程的实验装置。
一套完整的超高真空兼容的低温强磁场原位输运装置整体如图1所示，由特殊定制的低温强磁场***(1)、超高真空腔***(2)、表面调控***(3)和支撑***(4)几部分组成。本发明超高真空兼容的低温强磁场原位输运测量装置的核心在于超高真空腔***(2)、表面调控***(3)的设计以及与其他部分的兼容。用户可以根据自身需求购买合适型号的特殊定制的低温强磁场***(1)与之搭配，而支撑***(4)较为简单可以根据使用场地灵活进行，因此不做详细的阐述。
本发明的核心部分，我们通过以下技术方案予以实现。
超高真空腔***(2)部分如图2所示，主要包括主腔体(5)、商用分子泵(6)和商用离子泵(7)组成。其中商用分子泵(6)和商用离子泵(7)，真空分析设备如离子真空规、超高真空检测装置质谱仪(22)等可以根据用户使用需求选择采购，可以通过法兰接口(25)以及其他备用法兰接入***，在这儿不做过多的阐述。主腔体(5)通过上下法兰管与特殊定制的低温强磁场***下法兰(8)和特制差分抽气旋转平台(9)分别进行连接。
主腔体(5)主体成空心圆柱状，在其主体上带有很多功能各异的法兰接口结构，具体如图3-5所示。主要包括样品台转向操作杆(10)、观察窗法兰(11)、晶振膜厚监测装置(12)、预留法兰(13)、观察窗法兰(14)、观察窗法兰(15)、预留法兰(16)、手动支撑操作杆(17)、预留法兰(18)(19)(20)、进样法兰(21)、超高真空检测装置质谱仪(22)、真空热偶规(23)、预留法兰(24)(25)、电动操作杆(26)、预留法兰(27)、封口法兰(28)。法兰接口均气密焊接在主腔体(5)的主体上，各功能模块均采用CF法兰的方式使用螺丝和法兰接口固定。上述提到的功能法兰可以完成基本的实验要求，预留法兰则为后续实验设备的改良以及升级做准备。
此外低温强磁场***需要防辐射罩用来隔绝外界的热辐射以使***可以降至最低温；与此同时原位量子输运在对样品表面操控的时候，需要从防辐射罩中打开一条真空通道。因此本发明装置包括特殊设计的防辐射罩(29)，可以在真空内安装、拆卸和存储，具体结构如图6-8所示。防辐射罩(29)储存在主腔体(5)的如图所示位置。为了防止防辐射罩(29)过重，手动支撑操作杆(17)可以向上调整，起到一定的支撑辅助作用，电动操作杆(26)可以用来横向移动防辐射罩(29)。为了实现对防辐射罩(29)的操作，我们设计了锁扣结构(30)，并使用螺丝将其固定于防辐射罩(29)的下方。锁扣结构(30)主体呈空心圆柱形，具体结构可以有多种方案，在这里我们提供一种外层带有豁口结构(31)和两对末端方向折线槽(32)(33)的设计；电动操作杆(26)末端使用螺丝固定的叉形固定座(34)，叉形固定座(34)带有圆形豁口(35)。因此豁口结构(31)和圆形豁口(35)可以匹配在一起，完成了防辐射罩(29)和电动操作杆(26)的活动连接。
表面调控***(3)如图9-13所示，包括特制差分抽气旋转平台(9)、特制大法兰(38)、微调平移台(41)、主操作杆(43)和各种表面科学装置(46)。
具体来看各个组成部分：其中特制差分抽气旋转平台(9)通过法兰向上与主腔体(5)进行连接，特制差分抽气旋转平台(9)的抽气法兰接口(37)与外接泵体连接维持其工作的真空环境，机械马达(36)则可以完成特制差分抽气旋转平台(9)的旋转功能，用户可以根据自身的使用需求选择尺寸合适的特制差分抽气旋转平台(9)；特制大法兰(38)带有不同的法兰接口(39)(40)，用户需选择和特制差分抽气旋转平台(9)尺寸匹配的特制大法兰(38)，并且可以根据自身的使用需求定制数量不同的法兰接口(39)(40)。其中需要选择其中一个法兰接口(39)安装微调平移台(41)和主操作杆(43)，其余法兰接口(40)可以根据自身需求安装功能各异的表面科学装置(46)；微调平移台(41)通过法兰与特制大法兰(38)的法兰接口(39)进行连接，然后主操作杆(43)再通过主操作杆上法兰(44)与微调平移台(41)进行连接。微调平移台(41)的螺旋调整器(42)可以完成主操作杆(43)在xy平面内以及纵向较小倾角的调整。机械马达(45)可以完成主操作杆(43)的上下移动；各类表面科学装置(46)则使用法兰与特制大法兰(38)的法兰接口(40)进行连接。
附图说明
图1：超高真空兼容低温强磁场装置主视图
图2：超高真空兼容低温强磁场装置核心部分视图
图3：超高真空腔***主腔体前视图
图4：超高真空腔***主腔体后视图
图5：超高真空腔***主腔体右视图
图6：主腔体存放防辐射罩细节图
图7：防辐射罩细节图
图8：电动操作杆和封口法兰细节图
图9：表面调控***等轴视图
图10：表面调控***主视图
图11：特制大法兰细节图
图12：微调平移台和主操作杆等轴视图
图13：微调平移台和主操作杆主视图
图14：表面调控***底部视图
图15：样品台进样示意图
图16：样品台操作视图
图17：防辐射罩装卸视图
各图中的标号：1-特殊定制的低温强磁场***；2-超高真空腔***；3-表面调控***；4-支撑***；5-主腔体；6-商用分子泵；7-商用离子泵；8-特殊定制的低温强磁场***下法兰；9-特制差分抽气旋转平台；10-样品台转向操作杆；11-观察窗法兰；12-晶振膜厚监测装置；13-预留法兰；14-观察窗法兰；15-观察窗法兰；16-预留法兰；17-手动支撑操作杆；18-预留法兰；19-预留法兰；20-预留法兰；21-进样法兰；22-高真空检测装置质谱仪；23-真空热偶规；24-预留法兰；25-预留法兰；26-电动操作杆；27-预留法兰；28-封口法兰；29-防辐射罩；30-锁扣结构；31-豁口结构；32-折线槽；33-折线槽；34-叉形固定座；35-圆形豁口；36-机械马达；37-抽气法兰接口；38-特制大法兰；39-法兰接口；40-法兰接口；41-微调平移台；42-螺旋调整器；43-主操作杆；44-主操作杆上法兰；45-机械马达；46-表面科学装置；47-样品台；48-锁扣结构；49-方形槽；50-折线槽；51-方形插销；52-操作杆固定帽；53-耳朵结构。
具体实施方案
超高真空兼容的低温强磁场原位输运装置整体连接如上所述，连接完成后整体效果如图1所示。样品测量在特殊定制的低温强磁场***1中完成，样品性质的调控使用表面调控***3完成，超高真空腔***2是连接特殊定制的低温强磁场***1和表面调控***3的重要组成部分，同时也需要完成样品台47和防辐射罩9真空内装卸的任务。
首先需要完成样品台的安装过程。
样品可以通过手动的方式固定于样品台47中，我们将锁扣结构48和样品台47进行固定。两者作为整体从进样法兰21进入超高真空腔***2，通常此时样品台长轴方向沿着y方向，而特殊定制的低温强磁场***1位于主腔体5上方，因此我们使用样品台转向操作杆10将样品台47以y方向为轴，旋转90度，使得样品台47长轴方向转向z方向。具体结构如图16所示，样品台转向操作杆10末端与操作杆固定帽52固定，方形插销51进入锁扣结构48的方形槽49中，通过旋转完成此操作。
然后主操作杆43使用螺丝固定有耳朵结构53，耳朵结构53可以与样品台47的折线槽50配合，完成了主操作杆43与样品台47进行活动连接。配合使用主操作杆43的机械马达45可以将样品台送至特殊定制的低温强磁场***1进行测量。
在进行测量之前，还需要安装好防辐射罩29，此时防辐射罩29储存在超高真空腔***2之中，如图17所示。使用电动操作杆26可以将防辐射罩29送至中心轴位置，然后使用主操作杆43将防辐射罩29送至特殊定制的低温强磁场***1中指定位置，然后退出主操作杆43。由于主操作杆43也需要完成样品台47的装卸过程，因此我们设计了类似48的锁扣结构30。通过豁口结构31与圆形豁口35的配合，完成防辐射罩29与电动操作杆26的活动连接；通过折线槽32或者33完成与耳朵结构53的配合，完成防辐射罩29与主操作杆43的活动连接。防辐射罩使用插针固定在特殊定制的低温强磁场***1的底部，利用摩擦力固定防辐射罩29的位置。
安装完成防辐射罩29以后，可以开始进行样品性质的测量过程。在测量过程中，如果需要完成样品性质的调控，则需要使用上述步骤相反的程序取下防辐射罩，并使用表面调控***3。
由于刚刚完成样品台47和防辐射罩29的安装过程，此时主操作杆43位于中心轴上。需要说明的是，特制差分抽气旋转平台的旋转中心不在***的中心轴上，而是偏向了侧面。其偏离的距离正好等于特制大法兰38上各个小法兰的中轴距离特制大法兰38中心的距离。因此，我们只需使用机械马达36驱动特制差分抽气旋转平台9的旋转，即可把各个需要使用的表面科学装置46旋转至中心轴位置。此时相应的表面科学装置46正对于样品，操作表面科学装置46即可以实现对样品性质的调控过程。
同理，相反的逆操作则可以完成测量过程后样品台47的取出和防辐射罩29的安装过程。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (4)

1.一种超高真空兼容的低温强磁场原位输运装置，其特征在于，包括特殊定制的低温强磁场***、超高真空腔***、表面调控***和支撑***几部分组成。特殊定制的低温强磁场***与超高真空腔***主腔体通过法兰进行连接；超高真空腔***主腔体与表面调控***的特制差分抽气旋转平台通过法兰进行连接；低温强磁场***、超高真空腔***和表面调控***连接成为整体通过支撑***固定在楼板地面。
2.如权利要求1所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，所述超高真空腔***由主腔体、商用分子泵和商用离子泵组成。其中主腔体使用304或316不锈钢加工而成，主腔体主体为空心圆柱状。主腔体上下方各有一个法兰管，可以分别与特殊定制的低温强磁场***、表面调控***进行连接；主腔体主体上带有很多功能各异的法兰接口结构，可以连接各种功能模块主要包括样品台转向操作杆、观察窗法兰、晶振膜厚监测装置、手动支撑操作杆、进样法兰、超高真空检测装置质谱仪、真空热偶规、电动操作杆、封口法兰、预留法兰。法兰接口均气密焊接在主腔体的主体上，各功能模块均采用CF法兰的方式使用螺丝和法兰接口固定。
3.如权利要求1所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，所述超高真空腔***由主腔体内部设计有特殊定制的低温强磁场***的防辐射罩储存空间，主腔体上安装有垂直运动的主操作杆和横向运动操作杆用来辅助完成防辐射罩的支撑、移动和存储；特殊定制的低温强磁场***的底部防辐射罩的一部分为活动连接的部件，使用插针方式，利用摩擦力固定在低温强磁场***底部。具体实现形式为：垂直运动的主操作杆安装在主腔体主体下方的法兰接口，使用螺丝固定；横向运动操作杆安装在主腔体主体一侧的封口法兰,使用螺丝固定；进样时，先使用主操作杆把防辐射罩从低温强磁场***底部取下，再使用横向运动操作杆把防辐射罩储存在主腔体中；测量时，通过与上述路径相反的方式，最终通过主操作杆把防辐射罩利用摩擦力固定在低温强磁场***底部。
4.如权利要求1所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，表面调控***由特制差分抽气旋转平台、特制大法兰、微调平移台、主操作杆和各种表面科学装置组成。其中特制差分抽气旋转平台一侧与超高真空腔***通过法兰连接，另一侧与特制大法兰连接；特制差分抽气旋转平台的旋转中心不在***的中心轴上，而是偏向了侧面，其偏离的距离正好等于特制大法兰上各个小法兰的中轴距离特制大法兰中心的距离；特制大法兰上可以根据需求订制大小各异的法兰接口，其中一个法兰接口与微调平移台进行连接，其余法兰接口可以根据使用需求接入功能各异的表面科学装置；微调平移台另一侧与主操作杆采用CF法兰的方式使进行固定，用于对主操作杆的位置进行微调，以实现主操作杆和防辐射屏、可拆卸样品台的对接。
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