專利名稱：一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于超高真空系統(tǒng)的組件，樣品操縱臺(tái)，尤其適用于掃描隧道顯微鏡(STM)、分子束外延(MBE)和極端條件(強(qiáng)磁場(chǎng)，如10特斯拉；極低溫，如2K)物性測(cè)量聯(lián)合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超高真空系統(tǒng)是指在人造的超高真空的環(huán)境下，對(duì)不同類型的樣品進(jìn)行生長(zhǎng)、表征和物性測(cè)量的系統(tǒng)。當(dāng)前，超高真空系統(tǒng)已應(yīng)用在半導(dǎo)體、物理、化學(xué)、材料和生物科學(xué)等各個(gè)研究領(lǐng)域。樣品操縱臺(tái)是超高真空系統(tǒng)的重要組成部分，通常在MBE生長(zhǎng)室和樣品分析室中接收樣品和調(diào)整樣品的位置。在專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)?00520112522.7，用于超高真空系統(tǒng)傳樣裝置的樣品托；申請(qǐng)?zhí)?00520112523.1，一種用于新型超高真空系統(tǒng)傳樣裝置的樣品接收臺(tái))中，我們?cè)敿?xì)描述了用于接收樣品的樣品托和樣品接收臺(tái)，在很多場(chǎng)合下樣品位置的調(diào)整包括XYZ三個(gè)垂直方向上的平移、繞主軸的一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞水平軸的二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)，共五個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)。如果再考慮到某些金屬薄膜的生長(zhǎng)需要在低溫下進(jìn)行，就要求樣品操縱臺(tái)能夠?qū)悠芬旱评洹Ｍ瑫r(shí)樣品操作臺(tái)要有精確的溫度計(jì)來(lái)測(cè)量樣品的溫度，要有加熱樣品的功能。我們稱這種樣品操縱臺(tái)為五維低溫樣品操縱臺(tái)。由于該種樣品操縱臺(tái)功能如此之多，再加上超高真空的某些特殊要求，使得目前市場(chǎng)上的商用設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高昂，部分功能不太理想。
實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)，可最大程度地實(shí)現(xiàn)液氮低溫制冷；同時(shí)，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效，極大地降低了制作成本。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)主要包括XYZ三維平移臺(tái)、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和低溫制冷裝置，三維平移臺(tái)安裝在超高真空腔上，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)安裝在所述三維平移臺(tái)上，所述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)中心軸向固定一導(dǎo)液管，所述低溫制冷裝置設(shè)置在該導(dǎo)液管的下端，所述低溫制冷裝置下端還安裝一可繞水平軸旋轉(zhuǎn)的接收樣品托的樣品接收裝置。
進(jìn)一步地，所述導(dǎo)液管內(nèi)部裝有一只細(xì)導(dǎo)管，該細(xì)導(dǎo)管的下端深入到所述低溫制冷裝置的底部，上端伸出所述導(dǎo)液管，所述導(dǎo)液管上端側(cè)面還開(kāi)有排氮口。
進(jìn)一步地，所述制冷裝置為液氮壺，該液氮壺的底部為紫銅，紫銅壺底裝有用來(lái)接觸所述樣品托和樣品接收臺(tái)的鈹銅彈簧，所述樣品接收臺(tái)通過(guò)螺釘轉(zhuǎn)軸和固定連接件安裝在所述液氮壺的底部。
進(jìn)一步地，所述螺釘轉(zhuǎn)軸和固定連接件之間設(shè)置有另一鈹銅彈簧。
進(jìn)一步地，還包括一可調(diào)整所述螺釘轉(zhuǎn)軸的樣品傳送桿，該樣品傳送桿為端部安裝有改錐頭的磁力桿，所述磁力桿通過(guò)法蘭安裝在所述超高真空腔上。
進(jìn)一步地，所述導(dǎo)液管和細(xì)導(dǎo)管均為不銹鋼管。
本實(shí)用新型將轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)安裝固定在三維平移臺(tái)上，再將三維平移臺(tái)安裝到超高真空腔的相應(yīng)位置，就可實(shí)現(xiàn)樣品的XYZ方向上的三維線性運(yùn)動(dòng)和繞主軸的一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，通過(guò)樣品傳送桿調(diào)節(jié)螺釘轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)了樣品繞水平軸旋轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型可最大程度地實(shí)現(xiàn)液氮低溫制冷，不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效，而且極大地降低了制作成本。


圖1是五維低溫樣品操作臺(tái)的主視和側(cè)視示意圖。
圖2a是液氮制冷系統(tǒng)的示意圖，圖2b是液氮壺底部的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是接收裝置沿水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制示意圖。
圖4是樣品處于生長(zhǎng)狀態(tài)的示意圖。
圖5是與本實(shí)用新型相配的一種樣品托。
圖6是與本實(shí)用新型相配的樣品傳送桿。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型如圖1所示，本實(shí)用新型包括XYZ三維平移臺(tái)11、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4和低溫制冷裝置14，三維平移臺(tái)11安裝在超高真空腔上，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4安裝在三維平移臺(tái)11上，轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)4中心軸向固定一不銹鋼管32，低溫制冷裝置14設(shè)置在該不銹鋼管32的下端，低溫制冷裝置14下端還安裝一可繞水平軸旋轉(zhuǎn)的接收樣品托的樣品接收裝置15。具體如下不銹鋼管32焊接在刀口法蘭3上，通過(guò)刀口法蘭3固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4上；不銹鋼管32的上部是輸?shù)?和排氮口2，下部則固定在液氮壺14上；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4的操作柄5可使平臺(tái)上部的法蘭3繞豎直軸旋轉(zhuǎn)。注意在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4之前一定要用真空泵預(yù)抽轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4的差分口6，防止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)漏氣。轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的下部也是刀口法蘭，與XYZ三維平移臺(tái)11上部的刀口法蘭固定在一起。三維平移臺(tái)11是利用金屬軟波紋管12的柔韌性，通過(guò)旋鈕8、9、10實(shí)現(xiàn)平移臺(tái)X、Y、Z方向的線性運(yùn)動(dòng)的。平移臺(tái)11是通過(guò)下部的刀口法蘭13安裝在所需的超高真空腔上的。本實(shí)用新型在超高真空內(nèi)部的部分包括不銹鋼管32的部分和液氮壺14。樣品接收裝置15安裝在液氮壺14上。
液氮制冷系統(tǒng)如圖2a所示，液氮壺14采用紫銅作底16，為的是更有效的制冷與之接觸的部件(銅是熱的良導(dǎo)體，而不銹鋼是熱的不良導(dǎo)體)。液氮壺14上端焊有不銹鋼管32，不銹鋼管32的上部焊接在刀口法蘭3上，刀口法蘭3的下部處在超高真空腔中，上部的液氮進(jìn)出口1、2則暴露在大氣中。用刀口法蘭3將液氮壺14固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4上就實(shí)現(xiàn)了液氮壺14與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)4和三維平移臺(tái)的連動(dòng)。不銹鋼管32的內(nèi)部裝有一根較細(xì)的不銹鋼管33。鋼管33向下接近液氮壺14的底部，向上作為液氮的輸入口1，用于往液氮壺14里灌液氮。細(xì)鋼管33接近液氮壺14的底部是為了減少輸?shù)^(guò)程中液氮的損耗。細(xì)不銹鋼管33焊接在不銹鋼管32的頂端。排氮口2是開(kāi)在不銹鋼管32側(cè)端暴露在空氣中的一個(gè)小口。圖2b所示的是液氮壺14底部的結(jié)構(gòu)示意圖。紫銅壺底16上裝有鈹銅彈簧17和18，分別用來(lái)接觸制冷樣品托22和樣品接收裝置21。如果不用鈹銅彈簧17和18的話，樣品托22和樣品接收裝置21很難與液氮壺的底部16接觸得很好。這樣就會(huì)降低制冷效率。由圖我們還可以看到，樣品接收裝置21是通過(guò)螺釘轉(zhuǎn)軸20和固定連接件19安裝到液氮壺14的下部的。對(duì)樣品進(jìn)行制冷時(shí)，首先用帶改錐頭的磁力桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘轉(zhuǎn)軸20，帶動(dòng)樣品接收裝置21和樣品托22繞水平軸旋轉(zhuǎn)90度，使得樣品托22緊壓在鈹銅彈簧17上，樣品接收裝置21緊壓在鈹銅彈簧18上。然后將液氮從液氮入口1灌入到液氮壺14中。液氮出口2的作用是防止液氮壺14內(nèi)部氣體過(guò)壓。這樣，當(dāng)液氮壺14中存上液氮后，樣品托22和樣品接收裝置21會(huì)同時(shí)得到有效的制冷。另外，如果用真空泵抽液氮排氣口2的話還可對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)更低溫度的制冷。
樣品繞水平軸的二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制見(jiàn)圖3。連接件19焊接在液氮壺14上。螺釘轉(zhuǎn)軸20通過(guò)連接件19上的兩個(gè)絲口安裝在連接件19上。樣品接收裝置21則固定安裝在螺釘轉(zhuǎn)軸20的中部，可與螺釘轉(zhuǎn)軸20一塊兒運(yùn)動(dòng)。在連接件19和螺釘轉(zhuǎn)軸20的螺帽之間裝有鈹銅彈簧22。當(dāng)樣品接收裝置21往水平生長(zhǎng)位置轉(zhuǎn)的時(shí)候，鈹銅彈簧22會(huì)壓緊從而增大螺釘轉(zhuǎn)軸20和連接件19之間的摩擦，使處在生長(zhǎng)位置的樣品接收裝置21不會(huì)由于重力的緣故掉回到傳樣狀態(tài)。圖3所示的是傳樣狀態(tài)。連接件19向下的突出物23是用來(lái)限位的。當(dāng)傳樣時(shí)，樣品接收裝置21會(huì)收到一個(gè)水平的推力，突出物23可以確保接收裝置保持在傳樣位置不變。螺桿轉(zhuǎn)軸20可由安裝在磁力桿上的改錐頭轉(zhuǎn)動(dòng)。引入繞水平軸的二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制是因?yàn)椋?dāng)樣品隨著樣品托22被樣品接收裝置21接收后，樣品一般是垂直放置的。然而大多情況下材料的生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的分析需要樣品水平放置，所以需要一個(gè)繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)制使樣品可以轉(zhuǎn)到水平位置。圖4是樣品生長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可以看到樣品面24與圖3中的位置比較，繞水平軸旋轉(zhuǎn)了90度。圖6是用于轉(zhuǎn)動(dòng)螺釘轉(zhuǎn)軸20的磁力桿示意圖。磁力桿通過(guò)法蘭30安裝在超高真空腔上。轉(zhuǎn)動(dòng)暴露在大氣中的把手29，安裝在磁力桿前端的處于超高真空中的改錐頭31就會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們需要將樣品轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，只需用磁力桿前端的改錐頭31去擰螺釘旋轉(zhuǎn)軸20的螺帽，使螺釘轉(zhuǎn)軸20帶動(dòng)接收裝置21一起旋轉(zhuǎn)。圖5是適用于本實(shí)用新型的一種樣品托。其背部的絲口28用于樣品托的傳送，正面的兩個(gè)孔27用于樣品的接收和加熱。樣品24被金屬電極26固定在樣品托上。為了更好的制冷，樣品接收裝置21最好用鈹銅制備。而測(cè)量樣品溫度的熱偶如圖4所示可安裝在離樣品較近的位置25。
本實(shí)用新型不僅適用于上文所述的一種特殊的樣品托22。只要將樣品接收裝置21做相應(yīng)改動(dòng)，本實(shí)用新型可適用于多種傳樣裝置。同時(shí)，本實(shí)用新型創(chuàng)新性地采用磁力桿上加裝改錐頭的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品繞水平軸的旋轉(zhuǎn)，大大簡(jiǎn)化了二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制，節(jié)約了制作成本，提高了使用性能。此外，本實(shí)用新型采用的鈹銅彈簧接觸制冷樣品托與接收裝置的方式，在樣品的制冷方面也是一大進(jìn)步。
權(quán)利要求1.一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)，其特征在于，包括XYZ三維平移臺(tái)、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和低溫制冷裝置，三維平移臺(tái)安裝在超高真空腔上，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)安裝在所述三維平移臺(tái)上，所述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)中心軸向固定一導(dǎo)液管，所述低溫制冷裝置設(shè)置在該導(dǎo)液管的下端，所述低溫制冷裝置下端還安裝一可繞水平軸旋轉(zhuǎn)的接收樣品托的樣品接收裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)，其特征在于，所述導(dǎo)液管內(nèi)部裝有一只細(xì)導(dǎo)管，該細(xì)導(dǎo)管的下端深入到所述低溫制冷裝置的底部，上端伸出所述導(dǎo)液管，所述導(dǎo)液管上端側(cè)面還開(kāi)有排氮口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)，其特征在于，所述制冷裝置為液氮壺，該液氮壺的底部為紫銅，紫銅壺底裝有用來(lái)接觸所述樣品托和樣品接收臺(tái)的鈹銅彈簧，所述樣品接收臺(tái)通過(guò)螺釘轉(zhuǎn)軸和固定連接件安裝在所述液氮壺的底部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)，其特征在于，所述螺釘轉(zhuǎn)軸和固定連接件之間設(shè)置有另一鈹銅彈簧。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)，其特征在于，還包括一可調(diào)整所述螺釘轉(zhuǎn)軸的樣品傳送桿，該樣品傳送桿為端部安裝有改錐頭的磁力桿，所述磁力桿通過(guò)法蘭安裝在所述超高真空腔上。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于超高真空系統(tǒng)的五維低溫樣品操縱臺(tái)，包括XYZ三維平移臺(tái)、轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和低溫制冷裝置，三維平移臺(tái)安裝在超高真空腔上，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)安裝在所述三維平移臺(tái)上，所述轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)中心軸向固定一導(dǎo)液管，所述低溫制冷裝置設(shè)置在該導(dǎo)液管的下端，所述低溫制冷裝置下端還安裝一可繞水平軸旋轉(zhuǎn)的接收樣品托的樣品接收裝置。本實(shí)用新型將轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)安裝固定在三維平移臺(tái)上，再將三維平移臺(tái)安裝到超高真空腔的相應(yīng)位置，就可實(shí)現(xiàn)樣品的XYZ方向上的三維線性運(yùn)動(dòng)和繞主軸的一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，通過(guò)樣品傳送桿調(diào)節(jié)螺釘轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)了樣品繞水平軸旋轉(zhuǎn)。本實(shí)用新型可最大程度地實(shí)現(xiàn)液氮低溫制冷，不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效，而且極大地降低了制作成本。
文檔編號(hào)G01N35/00GK2837847SQ200520122119
公開(kāi)日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者王健, 蔡偉偉, 梁學(xué)錦, 劉慧 , 陳東敏, 薛其坤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所