CN103347361B - 二维可调温控束源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维可调温控束源装置，涉及原子束实验技术。本发明包括上下依次连接的加热部分（10）、连接部分（20）和调节部分（30）；加热部分（10）通过螺丝固定在连接部分（20）中的不锈钢支架（21）之上，可以方便地拆卸和更换；调节部分（30）通过滑块（32）与连接部分（20）中的不锈钢支柱（26）紧密接触，利用千分尺旋钮（31）实现调节。本发明在保证原子束源稳定性的同时，能精细地实现原子束位置的二维调节；适用于探测依赖激光空间分布的信号，通过精细调节原子束源的位置，分别获得作用区内来自不同激光区域的信号，由此可对作用区内激光光斑质量进行诊断。

Description

二维可调温控束源装置

技术领域

本发明涉及原子束实验技术，尤其涉及一种二维可调温控束源装置。

背景技术

在许多涉及激光冷却原子、原子与粒子碰撞和原子与激光相互作用等的实验研究中，在作用区获得稳定和高密度的原子束源是必不可少的先决条件。因许多研究对象(如金属原子)在常温下处于固态，人们通常利用高温将样品蒸发至气态，在饱和蒸汽压的作用下，原子从样品池上方的小孔喷射至作用区，形成原子束。一般的原子束源装置主要由加热装置、温度控制系统和坩埚(样品池)等几部分组成。由于不同样品的熔点和饱和蒸汽压不同，以及高温环境下样品池材质会出现变形等，在束源装置的实际搭建中存在着各种技术问题。

目前，原子束源装置的设计主要致力于解决以下几个方面的问题：

1、坩埚材质的选择

如E.Schumacher发现在1000℃时，锂原子会与不锈钢生成熔点较低的合金【参阅Rev.Sci.Instrum.66,4409(1995)】，因而在锂原子束源装置中不可采用不锈钢材质的坩埚。此外，如采用诱导加热的方法，坩埚材质的电阻率不能太大，否则会对加热产生影响。因而，综合加热方式以及所研究样品种类的不同，须采用不同材质的坩埚。

2、加热方式的选择

针对蒸发样品所需温度的高低和不同的研究领域，需要选择不同的加热方式。如样品温度小于1200℃时，通常采用电阻式加热；而在薄膜技术中，普遍采用电子轰击加热的方法。

3、温度的测量和控制

对于所测量温度范围的不同，须采用不同合金成分的热电偶探头。如在1100℃以下时，镍铬合金的热电偶探头最为适合；而对于1100℃～2200℃的温度范围，须采用钨铼成分的热电偶探头。温度的控制一般利用与探头相连的回馈电路实现。

4、高温带来的其他问题

在电阻式加热过程中，维持较高温度所需的大电流会产生磁场效应，进而影响实验结果，在这类实验中通常需要加入屏蔽磁场的防护罩。高温的原子束容易在束源装置中温度较低的地方(如喷嘴处)积累而引起堵塞，最后影响作用区原子的疏密度。为避免这一情况，通常需要加热喷嘴，使其温度与坩埚温度一致或稍高。

然而，在很多情况下，尤其是原子的光电离或激光冷却等实验研究中，为获得最优化的信号，需要精细调节原子束的位置。以往人们一般采用调节激光位置而固定原子束源的方法。这种方法往往会导致作用区光斑形状的改变，不利于重复实验结果和开展相同激光条件下不同研究对象的对比实验研究。为解决这一问题，设计可精细调节原子束位置的束源装置是非常必要的。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种二维可调温控束源装置。

本发明的目的是这样实现的：

通过两套外在的高精度千分尺旋钮实现二维方向上位置的调节，同时在移动过程中可保证束源的稳定性不受干扰，调节精度最高可达0.1mm；保证在获得最优化信号的同时，避免在光电离等实验中由于调节光束而引起的光斑形状改变等问题。

具体地说，本发明包括上下依次连接的加热部分、连接部分和调节部分；

加热部分通过螺丝固定在连接部分中的不锈钢支架之上，可以方便地拆卸和更换；

调节部分通过滑块与连接部分中的不锈钢支柱紧密接触，利用千分尺旋钮实现调节。

本发明具有下列优点和积极效果：

①在保证原子束源稳定性的同时，能精细地实现原子束位置的二维调节；

②有利于在光电离等实验研究中获得最优化信号，同时不改变作用区内激光光斑形状等实验条件；

③适用于探测依赖激光空间分布的信号，通过精细调节原子束源的位置，分别获得作用区内来自不同激光区域的信号，由此可对作用区内激光光斑质量进行诊断。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(纵剖面)。

图中：

10—加热部分，

11—第1热量防护罩， 12—不锈钢圆盖，    13—坩埚，

14—加热丝，        15—第2热量防护罩， 16—热偶探头，

17—加热导线，      18—聚四氟乙烯细管；

20—连接部分，

21—不锈钢支架，    22—不锈钢底座，    23—CF法兰，

24—波纹管，        25—金属连接柱，    26—不锈钢支柱；

30—调节部分，

31—千分尺旋钮，    32—滑块。

图2是千分尺旋钮方位与激光传播方向示意图(俯视)。

图3是测量的Mg离子信号随原子束源位置的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、总体

如图1，本发明包括上下依次连接的加热部分10、连接部分20和调节部分30；

加热部分10通过螺丝固定在连接部分20中的不锈钢支架21之上，可以方便地拆卸和更换；

调节部分30通过滑块32与连接部分20中的不锈钢支柱26紧密接触，利用千分尺旋钮31实现调节。

二、功能部件

1、加热部分10

如图1，加热部分10包括第1热量防护罩11、不锈钢圆盖12、坩埚13、加热丝14、第2热量防护罩15、热偶探头16、加热导线17和聚四氟乙烯细管18；

其连接关系是：

在坩埚13的顶部盖有不锈钢圆盖12，在坩埚13的外壁包裹有加热丝14，第2热量防护罩15位于加热丝14外侧，在第2热量防护罩15的上部盖有第1热量防护罩11，热偶探头16置于坩埚13的底部，加热丝14和加热导线17连接，加热导线17穿过聚四氟乙烯细管18与连接部分20中的金属连接头25相连接。

下列构件的结构和功能如下：

1)第1热量防护罩11

该构件为不锈钢材质的顶部封闭的圆筒形状，顶部中心钻有小孔，方便原子束源喷出；

用于减少坩埚13上部热量的损失，以保证坩埚13内部温度的一致。

2)不锈钢圆盖12

该构件中心钻有小孔，以保证样品在高温下形成的饱和蒸汽从小孔喷出，形成原子束源。

3)坩埚13

该构件为耐高温的刚玉(Al₂O₃)材质，成试管形状，用于盛放样品。

4)加热丝14

加热丝成分为耐高温的镍铁合金，不易折断，围绕坩埚13成螺旋形状，以均匀加热坩埚13及其内部的样品。

5)第2热量防护罩15

该构件为不锈钢材质，成圆筒形状，套在加热丝14外侧，用于减少坩埚13热量的损失。

6)热偶探头16

该构件为标准热电偶，成分为铂铑合金，用于探测坩埚13的温度。

7)加热导线17

加热导线为耐高温漆包线，用于连接加热丝，形成电路回路。

8)聚四氟乙烯细管18

该构件呈细长圆筒形，套在加热导线17外部，用于保证导线的绝缘性。同时聚四氟乙烯材料放气量少，对腔体内部真空度影响较小。

其工作机理是：

加热丝14围绕坩埚13成螺旋状，保证对坩埚13内部样品加热均匀；

第2热量防护罩15位于加热丝14外侧，用于减少原子炉高温运行时候热量的损失；

坩埚13顶部由钻有小孔的不锈钢圆盖12密封，顶部的第1热量防护罩11通过螺丝固定在第2热量防护罩15外侧，用于保证原子炉运行时候内部温度的一致；

热偶探头16位于坩埚13下方，用于实时监测原子炉的温度；

加热丝14和热偶探头16所连接导线通过不锈钢支架21内部与连接部分20中的金属连接头25相连接；

导线外部均套有聚四氟乙烯细管17，以保证导线和腔体以及导线和导线之间的绝缘性。

2、连接部分20

如图1，连接部分20包括不锈钢支架21、不锈钢底座22、CF法兰23、波纹管24、金属连接头25和不锈钢支柱26；

其连接关系是：

不锈钢支架21、不锈钢底座22和不锈钢支柱26上下依次连接构成一个整体；

不锈钢底座22、波纹管24和CF法兰23上下依次连接，保证腔体真空的密封性。

下列构件的结构和功能如下：

1)不锈钢支架21

该构件呈内部中空的圆筒形状，用于保护内部的导线等，同时起到支撑加热部分10的作用。

2)不锈钢底座22

该构件成圆盘形状，起到连接不锈钢支架21与支柱26的过渡作用，同时外侧与CF法兰23连接，用于密封腔体的真空。

3)CF法兰23

法兰为尺寸CF150的标准法兰，用于密封真空。

4)波纹管24

该构件为与CF法兰23配套的标准波纹管，可伸缩弯曲，用于保证束源移动过程中腔体的真空密封不受影响。

5)金属连接柱25

三个金属连接柱25均为不锈钢圆柱，与不锈钢底座22连接为一体，上端位于腔体内部，用于连接腔体内部的导线；下端位于腔体外部，用于连接外部的导线，保证腔体真空密封的同时，起到两部分导线的连接作用。

6)不锈钢支柱26

该构件为内部中空的圆筒形状，用于保护内部的导线，同时与不锈钢底座22连接，构成一个整体。

其工作机理是：

不锈钢支架21通过螺丝固定在不锈钢底座22之上，不锈钢底座22与波纹管24相连接，不锈钢底座22下端与不锈钢支柱26相连接；

不锈钢支柱26位于波纹管24内部(即真空腔体外)；波纹管24与最下端的CF法兰27相连接，保证腔体真空的密封性。

不锈钢底座22与固定之上的不锈钢支架21以及不锈钢支柱26连接成为一个整体，不锈钢支柱26与下端的调节部分30相连接。当调节部分30实现调节功能时，不锈钢支柱26可实现二维方向上的移动，与该支柱形成整体的不锈钢底座22及支架21均可同步实现二维方向上的移动。最终整个连接部分20及上端与其相连接的加热部分10均可以通过调节部分30实现二维方向上的移动。波纹管24可自由弯曲，在调节过程中可以保持与CF法兰23的连接，从而实现腔体真空的密封。

3、调节部分30

如图1，调节部分30包括千分尺旋钮31和滑块32；

其连接关系是：

在CF法兰23下方四周的X方向与Y方向分别对称设置有四个千分尺旋钮31，四个千分尺旋钮31分别与位于法兰中部下方的四个滑块32相连接。

下列构件的结构和功能如下：

1)千分尺旋钮31

该构件为配备高精度千分尺的标准旋钮，读数方便，用于实现位置的精细调节。

2)滑块32

四个滑块均为不锈钢材质，呈正方体形状，用于紧密卡住不锈钢支柱26下端。

其工作机理是：

不锈钢支柱26下端四周由四个滑块32紧紧卡住，四个滑块32两两分布在X方向与Y方向，分别由外部的四个千分尺旋钮31控制；当需要在某一方向上调节原子束位置时，旋紧一个千分尺旋钮，同时松开同方向上的另一个千分尺旋钮，即会使得整个加热部分10实现该方向上的移动；另一方向上的操作原理与此相同，由此实现了原子束源位置的二维精细调节；在移动过程中，四个滑块32始终紧紧卡住不绣钢支柱16的下端。

三、试验情况

在本发明中，我们通过探测飞秒激光电离Mg原子产生的离子信号来检验此装置的实际效果。我们利用800nm波长，脉宽约为45fs的飞秒激光，通过焦距为10cm的透镜聚焦之后进入作用区。经估算，在作用区激光的峰值光强约为1×10¹⁴W/cm²，其空间和时间分布均可近似认为是高斯分布。原子炉温度保持在470℃，对于Mg金属来说，足以保证在作用区有足够数目的Mg原子以供探测。

在实验中，首先利用探测到的离子信号对原子束源的中心位置进行标定。调节光路和透镜位置使得激光的聚焦光斑位于作用区中心。设沿激光传播的方向为X正方向，在X方向的一对千分尺旋钮分别为X1旋钮和X2旋钮；与激光传播方向垂直的方向为Y方向，在Y方向上的一对千分尺旋钮分别为Y1旋钮和Y2旋钮，并定义X－Y坐标，如图2所示。首先沿X方向调节一对千分尺旋钮，旋紧X1旋钮，同时松开X2旋钮，即可使得原子束源位置实现+方向上的移动；反之松开X1旋钮，同时旋紧X2旋钮，即可使得原子束源位置实现-方向上的移动。实现Y方向上移动的操作与此类似。在调节原子束源位置的同时，探测离子信号，获得信号最大值的位置即原子束源的中心位置，记下该位置四个千分尺旋钮的读数，并令该位置为(0，0)。

保持激光条件和透镜位置等试验条件不变，调节千分尺旋钮，记录原子束源处于不同位置时千分尺的读数，通过与原子束源位于中心位置时千分尺读数的比较，可以获得原子束源位置信息为(X，Y)。同时记录离子信号，可以获得离子信号随不同原子束源位置的变化关系，如图3所示。由图3可以看出，离子信号最大时候的原子束源位置为(0，0)；沿X(或Y)正方向或负方向移动原子束源，离子信号均减小，且减小量对称分布在原点两侧；沿X方向离子信号的分布与沿Y方向离子信号的分布有一些区别，这是由于激光传播方向在X方向，原子束源在X方向上的移动与在Y方向(激光横截面方向)上的移动，分别感受到的激光光强的分布不同，导致Mg⁺产量的分布不同。图3的结果表明本发明完全可以实现原子束源位置在二维方向上的精细调节。

Claims (4)

1.一种二维可调温控束源装置，其特征在于：

包括上下依次连接的加热部分(10)、连接部分(20)和调节部分(30)；

加热部分(10)通过螺丝固定在连接部分(20)中的不锈钢支架(21)之上，可以方便地拆卸和更换；

调节部分(30)通过滑块(32)与连接部分(20)中的不锈钢支柱(26)紧密接触，利用千分尺旋钮(31)实现调节。

2.按权利要求1所述的一种二维可调温控束源装置，其特征在于：

所述的加热部分(10)包括第1热量防护罩(11)、不锈钢圆盖(12)、坩埚(13)、加热丝(14)、第2热量防护罩(15)、热偶探头(16)、加热导线(17)和聚四氟乙烯细管(18)；

其连接关系是：

在坩埚(13)的顶部盖有不锈钢圆盖(12)，在坩埚(13)的外壁包裹有加热丝(14)，第2热量防护罩(15)位于加热丝(14)外侧，在第2热量防护罩(15)的上部盖有第1热量防护罩(11)，热偶探头(16)置于坩埚(13)的底部，加热丝(14)和加热导线(17)连接，加热导线(17)穿过聚四氟乙烯细管(18)与连接部分(20)中的金属连接头(25)相连接。

3.按权利要求1所述的一种二维可调温控束源装置，其特征在于：

所述的连接部分(20)包括不锈钢支架(21)、不锈钢底座(22)、CF法兰(23)、波纹管(24)、金属连接头(25)和不锈钢支柱(26)；

其连接关系是：

不锈钢支架(21)、不锈钢底座(22)和不锈钢支柱(26)上下依次连接构成一个整体；

不锈钢底座(22)、波纹管(24)和CF法兰(23)上下依次连接，保证腔体真空的密封性。

4.按权利要求1所述的一种二维可调温控束源装置，其特征在于：

所述的调节部分(30)包括千分尺旋钮(31)和滑块(32)；

其连接关系是：

在CF法兰(23)下方四周的X方向与Y方向分别对称设置有四个千分尺旋钮(31)，四个千分尺旋钮(31)分别与位于法兰中部下方的四个滑块(32)相连接。