專利名稱：高熔點金屬原子束發(fā)射源的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種高熔點金屬原子束發(fā)射源，它主要適用于原子物理學、原子光譜學及量子光學研究領域，用來獲得高熔點金屬原子束流，其工作溫度可達2300℃。
已有技術通常對產生高熔點金屬原子束的金屬材料的加熱方式有三種1)電子轟擊，2)高頻感應加熱，3)電阻加熱。前兩種方式要求使用電子槍，磁偏轉裝置和高頻感應電爐等設備，成本高，技術復雜。第三種方式成本低，原理簡單，但因大電流饋送和隔熱、冷卻和真空密封等方面的要求，在結構構成上有較大難度。已有技術(1)“Methods of Experimental Physics”，Volume 4，Part A，Section 1.3，P176，New York Academic(1974)和已有技術(2)G.Scoles，“Atomic and Molecular BeamMethods”，Volume 1，P102，Oxford Department Press中提出一種電阻爐高溫原子束源，但是，它是將電阻爐高溫原子束源整體置于真空室內，這樣的配置存在以下缺點1)要求真空室有足夠大的尺寸以容納高溫原子束源，2)必須解決大電流向真空室內的饋送和水冷管進出真空室的密封連接問題，3)原子束源產生的高溫將影響真空系統(tǒng)的運轉和真空度，4)不便于原子束材料的填充、加熱器的更換及其他有關操作。
本實用新型的目的是為了克服已有技術的缺點和不足，提供一種置于真空使用系統(tǒng)以外的高熔點金屬原子束發(fā)射源，將達到1)能產生溫度高于1500℃的穩(wěn)定原子束。
2)要具有良好的隔熱和冷卻系統(tǒng)，以降低加熱功率和避免真空使用系統(tǒng)內過度升溫。
3)造價低廉，結構簡單，操作便利。
本實用新型高熔點金屬原子束發(fā)射源的結構如圖1所示。它為一立式結構。包括爐體7內與爐體7同軸心O1O1地置有一直立的加熱管8，在加熱管8管壁中間部位上開有一側孔為原子束噴孔19，供原子束流噴出。加熱管8的頂上有蓋帽6，蓋帽6與加熱管8是同種材料所構成。在加熱管8內的下部放置盛有原子束金屬材料10的坩堝9，加熱管8的外圍及上下均包圍有防輻射層15，加熱管8周圍的防輻射層15有兩層，上下各有一層防輻射層15。在加熱管8周圍的防輻射層15上在對準原子束噴孔19的方向上有大開孔24。爐體7的側壁上在對準大開孔24的方向上密封焊接有側筒16。并且原子束噴孔19、大開孔24以及側筒16三者處于同一中心軸線O2O2上。側筒16的頂端有小法蘭17，小法蘭17通過螺釘23連接有大法蘭21，小法蘭17與大法蘭21之間有法蘭密封圈20，大法蘭21與真空使用系統(tǒng)連接。加熱管8的蓋帽6頂端與穿過爐蓋4中心的電極2的下端緊密插接，加熱管8的下端與爐體7底部的突起部分13緊密插接，以保證導電良好。電極2與爐蓋4之間有絕緣墊圈22絕緣，加熱電流就是通過電極2和爐體7加在加熱管8上。電極2上的電極饋線接頭1和爐體7底座上的底座饋線接頭11與供電裝置27相連。電極2內部由進水口25和出水口26通有冷卻水，爐體7外部繞有冷卻水管12。爐體7與爐蓋4之間有爐蓋密封圈5，電極2與爐蓋4之間有雙重密封圈3。接近加熱管8的管壁附近置有熱電偶14。
為測量爐溫，本實用新型使用了高溫熱電偶14，熱電偶14是被置于接近加熱管8的管壁附近，熱電偶14的兩條引線穿過耐高溫陶瓷管18到達真空使用系統(tǒng)內，然后經密封電過渡頭把熱電偶14的電壓信號傳到真空使用系統(tǒng)外的電壓表上。圖1中大法蘭21右方為真空使用系統(tǒng)，在圖1中示出了側筒16頂端的小法蘭17與大法蘭21的聯(lián)接情況(參見圖1)。
本實用新型金屬原子束發(fā)射源的供電裝置27十分簡單，如圖2所示。含有輸入端與電網電壓相連的自耦變壓器28，自耦變壓器28的輸出端連接有單向變壓器29，單向變壓器29的輸出端與發(fā)射源電極2上的電極饋線接頭1和爐體7底座上的底座饋線接頭11相連接。也就是說，若容量為4KVA的單相變壓器29之輸入電壓來自大功率自耦變壓器28，輸出端接至發(fā)射源，使加熱電流流經加熱管8。通過調整自耦變壓器28，加在加熱管8上的電壓可在0～14V之間變動，調整自耦變壓器28就能控制加熱電流，從而改變發(fā)射源溫度。
所說的加熱管8周圍和上下的防輻射層15與加熱管8之間的距離可以達到很小，而且外部繞有冷卻水管12的爐體7與防輻射層15的距離也可以做得很小。這就有利提高加熱效率，縮小體積。
本實用新型的優(yōu)點1)本實用新型的發(fā)射源結構緊湊。將大電流加熱、防輻射保溫、水冷散熱及最終的高熔點金屬原子束噴發(fā)等功能集中在僅約0.7升的體積內，實測發(fā)射源中心的溫度最高曾達2300℃。
2)本實用新型的發(fā)射源當置于加熱管8內坩堝9內的原子束金屬材料10被加熱，產生的原子束流通過加熱管8管壁上的原子束噴孔19，防輻射層15上的大開孔24和爐體7側壁上的側筒16噴向真空使用系統(tǒng)。所以，本新型的金屬原子束發(fā)射源是置于真空使用系統(tǒng)外，避免了大電流和冷卻水的真空過渡，降低了真空使用系統(tǒng)的升溫并大大方便了對發(fā)射源的操作，如換料、更換加熱器8和饋線連接等。
3)防輻射層15與加熱元件即加熱管8可以十分靠近，縮小了發(fā)射源體積，提高了加熱效率。使整個器件升溫快，降溫快，工作溫度高，1600℃時的加熱功率僅為800瓦，當加熱功率為2200瓦時，爐溫達2300℃。比已有技術(1)的發(fā)射源在加熱功率為4800瓦時達到的溫度僅為2000℃，效率提高大于1倍。
圖1是本實用新型高熔點金屬原子束發(fā)射源的整體結構剖面示意圖。
圖2是本實用新型高熔點金屬原子束發(fā)射源的供電裝置27的結構簡圖。
實施例如圖1所示的高熔點金屬原子束發(fā)射源結構，發(fā)射源總高285mm，爐體7高150mm，直徑60mm。爐體7和爐蓋4均由黃銅制成。電極2由紫銅制成。加熱管8和蓋帽6由石墨制成，加熱管8和蓋帽6屬于消耗品，每用二三次后因電接觸變差等原因需要更換。石墨的加熱管8內盛放原子束金屬材料10的坩堝9為氧化鋯坩堝，石墨的加熱管8上的原子束噴孔19取為Φ1.5mm。防輻射層15采用0.15mm厚的鉬箔制成，周圍的二層防輻射層15在原子束噴孔19的方向上開有適當大小和形狀的大開孔24以供原子束出射和熱電偶18的伸入。爐蓋密封圈5和法蘭密封圈20由Φ1mm的銀絲制成，雙重密封圈3為市售的標準“0”形橡皮環(huán)。電極2與爐蓋4的絕緣墊圈22由聚四氟乙烯制成。爐體7外部纏繞的冷卻水管12為Φ6的紫銅管，與電極2的水冷夾層串聯(lián)供水。所用的測溫元件熱電偶14為WRR-010型雙鉑銠熱電偶，絕緣陶瓷管18為帶有二個縱孔的剛玉棒材，熱電偶14的電壓信號輸入到XMZ-101型數(shù)字溫度顯示儀上。
用金屬鉻(Cr熔點1890℃，沸點2640℃)作為原子束金屬材料10運轉上述結構的發(fā)射源，當加熱管8的加熱電流為180A、加熱功率為800KW時，測得爐溫為1600℃，對應原子束中Cr原子的平均速度為950m/s。在距原子束噴孔1960cm處放置玻璃板(或金屬板)，使Cr原子沉積在玻璃板表面，一小時后取出玻璃板，看到其表面有明顯的鉻金屬層。用美國Tencor公司a-Step 500型表面輪廓儀測量Cr層的厚度為39nm，由此推算出對應的Cr原子束的強度為9×1013/cm2.s。
鉻原子束發(fā)射的持續(xù)使用時間決定于裝料的多少，在發(fā)射源工作溫度不太高的情況下(1500-1600℃)，每克鉻可運轉10小時以上。發(fā)射源工作時真空使用系統(tǒng)未見明顯升溫，真空度亦無明顯下降，發(fā)射源的水冷系統(tǒng)工作良好，用手觸摸爐體7表面，只感到稍高于室溫。
由上述實施例證明本實用新型的發(fā)射源是一種簡單、低價、高效、可靠的高熔點金屬原子束發(fā)射源。
權利要求1．一種高熔點金屬原子束發(fā)射源，包括帶有爐蓋(4)的爐體(7)，在爐體(7)內置放盛有原子束金屬材料(10)的坩堝(9)，爐體(7)的外部繞有冷卻水管(12)，其特征在于在爐體(7)內與爐體(7)同軸心O1O1地置有一直立的加熱管(8)，加熱管(8)管壁中間部位有原子束噴孔(19)，在加熱管(8)的頂上有蓋帽(6)，在加熱管(8)內的下部放置盛有原子束金屬材料(10)的坩堝(9)，加熱管(8)的外圍及上下均有防輻射層(15)，在加熱管(8)周圍的防輻射層(15)上在對準原子束噴孔(19)的方向上有大開孔(24)，爐體(7)的側壁上在對準大開孔(24)的方向上密封焊接有側筒(16)，側筒(16)的頂端有小法蘭(17)，小法蘭(17)通過螺釘(23)連接有大法蘭(21)，小法蘭(17)與大法蘭(21)之間有法蘭密封圈(20)，加熱管(8)的蓋帽(6)頂端與穿過爐蓋(4)中心的電極(2)的下端緊密插接，加熱管(8)的下端與爐體(7)底部的突起部分(13)緊密插接，電極(2)與爐蓋(4)之間有絕緣墊圈(22)，電極(2)上的電極饋線接頭(1)和爐體(7)底座上的底座饋線接頭(11)與供電裝置(27)相連，電極(2)內部由進水口(25)和出水口(26)通有冷卻水，爐體(7)與爐蓋(4)之間有爐蓋密封圈5，在電極2與爐蓋4之間有雙重密封圈(3)，接近加熱管(8)的管壁附近置有熱電偶(14)。
2．根據(jù)權利要求1所述的高熔點金屬原子束發(fā)射源，其特征在于供電裝置(27)含有輸入端與電網電壓相連的自耦變壓器(28)，自耦變壓器(28)的輸出端連有單向變壓器(29)，單向變壓器(29)的輸出端與發(fā)射源電極(2)上的電極饋線接頭(1)和爐體(7)底座上的底座饋線接頭(11)相連接。
3．根據(jù)權利要求1所述的高熔點金屬原子束發(fā)射源，其特征在于所說的加熱管(8)周圍的防輻射層(15)有兩層，加熱管(8)的上下各有一層防輻射層(15)。
4．根據(jù)權利要求1所述的高熔點金屬原子束發(fā)射源，其特征在于所說的加熱管(8)頂上的蓋帽(6)與加熱管(8)是同種材料所構成。
5．根據(jù)權利要求1所述的高熔點金屬原子束發(fā)射源，其特征在于所說的原子束噴孔(19)，大開孔(24)以及側管(16)三者處于同一中心軸線O2O2。
專利摘要一種高熔點金屬原子束發(fā)射源,含有置于頂上帶爐蓋的周圍有冷卻水管的爐體內部中心的加熱管。加熱管內有盛放原子束金屬材料的坩堝。加熱管管壁中部有原子束噴孔。對準原子束噴孔的加熱管的防輻射層上有大開孔,對準大開孔的爐體上有側筒。由加熱管內發(fā)射的原子束流通過原子束噴孔,大開孔和側筒噴向真空使用系統(tǒng)。本實用新型避免了大電流和冷卻水的真空過渡,結構緊湊,操作方便,發(fā)射源中心溫度可達到2300℃。
文檔編號G01N21/71GK2423583SQ9922785
公開日2001年3月14日 申請日期1999年7月15日 優(yōu)先權日1999年7月15日
發(fā)明者蔡惟泉, 曾慶林, 李傳文, 李佛生, 霍蕓生, 王育竹 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所