CN104714053A - 一种无液氦低温扫描隧道显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无液氦低温扫描隧道显微镜。该无液氦低温扫描隧道显微镜包括：制冷机（10），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；以及真空室（20），连接至制冷机（10）上，并由制冷机（10）提供低温环境。该无液氦低温扫描隧道显微镜通过使制冷剂循环工作，不产生蒸发消耗就能够对扫描隧道显微镜探头进行制冷，达到所要求的低温环境，实现了无液氦消耗的效果，降低了低温扫描隧道显微镜的使用成本，并且适用于难以获得液氦的地区进行科研使用。

Description

一种无液氦低温扫描隧道显微镜

技术领域

本发明涉及一种无液氦低温扫描隧道显微镜。

背景技术

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

进一步地，阻尼片为铜片，永磁体为钕铁硼磁铁。

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。

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。

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

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：

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；

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；

图3示出了图2的A处的局部放大示意图；

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；

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；

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

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。

附图标记：

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

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。

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。

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。

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。

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。

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31一起使用，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。

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。

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设置在探头安装座21上。第二减震装置50包括减震弹簧51，多个减震弹簧51沿探头组件40的周向均匀地分布，探头架41通过减震弹簧51吊设在探头安装座21上。减震弹簧51将探头架41吊挂，使得探头架41具有了弹性缓冲功能。在无液氦低温扫描隧道显微镜震动时，减震弹簧51中具备的储能、放能作用，能够吸收震动作用所产生的震动能量，使得无液氦低温扫描隧道显微镜的震动能够得到较好缓冲，从而达到满足试验要求所需要的测试环境。

具体地，第二减震装置50还包括涡流减震装置52，涡流减震装置52利用磁场能来进一步地减少无液氦低温扫描隧道显微镜的震动。优选地，涡流减震装置52包括底盘53、阻尼片521和永磁体522。底盘53设置在铜屏蔽罩43的底部，阻尼片521设置在探头架41的底部；永磁体522对应阻尼片521，被设置在底盘53的顶部。阻尼片521设置有多个，永磁体522也设置有多个；多个相同的阻尼片521和多个相同的永磁体522一一对应，并沿底盘53的周向方向间隔、交错地分布。

在探头组件40安装完成后，阻尼片521位于永磁体522的磁场中，当探头架41发生震动时，阻尼片521在磁场中切割磁力线，会在阻尼片521中产生感应电流，而感应电流的产生会使得阻尼片521在永磁体522的磁场中会受到与震动方向相反的力，从而减小震动幅度，直至震动消失。该涡流减震系统能够非常有效地降低探头架41的震动，进一步地提高仪器的精度。在本实施例中，由于永磁体522和阻尼片521是周向方向间隔、交错地分布的，因此任一阻尼片521都会受到两侧的永磁体522的磁场作用而产生更加均匀平衡的阻尼力，能够进一步地消化探头架41传递过来的震动能量，提高整个探头组件40的减震效果。

具体地，阻尼片521为铜片，永磁体522为钕铁硼磁铁。

结合参见图2和图3所示，无液氦低温扫描隧道显微镜还包括推拉装置60。推拉装置60可伸缩，并被设置在探头安装座21的底部。推拉装置60具有支撑探头组件40的第一位置，推拉装置60还具有脱离探头组件40的第二工作位置。

结合参见图2至5所示，具体地，推拉装置60包括第二螺杆61和磁力杆62。第二螺杆61通过轴承设置在探头安装座21上。第二螺杆61的顶部设置有顶块612，顶块612位于探头安装座21内的第一端，顶块612与第二螺杆61螺纹配合，并且顶块612由第二螺杆61驱动上下移动。第二螺杆61的第二端设置有第一锥齿轮611。磁力杆62可转动地设置在真空室20的侧壁上，磁力杆62的第一端设置有与第一锥齿轮611啮合的第二锥齿轮621，磁力杆62的第二端设置有磁铁手柄622。试验人员通过磁铁手柄622，使得设置在磁力杆62上的第二锥齿轮621转动，从而驱动与第二锥齿轮621啮合的第一锥齿轮611转动，继而使得第二螺杆61转动。然后，与第二螺杆61螺纹连接的顶块612将第二螺杆61的转动转换为上下运动。当顶块612向上运动时，顶块612运动到一定的高度后，顶块612会与探头组件40接触，从而将探头组件40托起到预定位置。

底盘53固定设置在铜屏蔽罩43的底部，第二螺杆61经铜屏蔽罩43从底盘53中穿出，顶块612设置在第二螺杆61的一端上。在顶块612顶起探头组件40的过程中，底盘53并不运动，探头组件40远离底盘53。当顶块612将探头组件40顶紧定位后，可以将样品放入探头42的检测位置。

在探头组件40到达合适高度时，可以将整个探头架41与探头安装座21紧密接触来降低温度，当温度降低到所需要的实验温度后，此时可以旋转磁铁手柄622，使顶块612下降，与探头组件40相脱离，此时在重力作用下探头组件40随顶块612一起下降，直至探头组件40与减震弹簧51之间形成平衡。由于此时整个探头组件40悬空，整个探头架41仅由减震弹簧51支撑，因此此时可以在减震弹簧51和涡流减震装置52的联合作用下使得探头架41震动最小，达到在低温下进行无液氦低温扫描隧道显微镜实验的标准。

该无液氦低温扫描隧道显微镜通过第一减震装置30、第二减震装置50中的减震弹簧51和涡流减震装置52的共同作用，使得无液氦低温扫描隧道显微镜的震动大大减小，达到了试验要求的严格的震动要求。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、不产生蒸发消耗就能够对真空室进行制冷，从而达到所要求的低温环境，实现了制冷剂的低消耗效果，降低了无液氦低温扫描隧道显微镜的使用成本。

2、使得无液氦低温扫描隧道显微镜的震动大大减小，达到了试验要求的严格的震动要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，包括：

制冷机（10），所述制冷机（10）包括有制冷剂循环流动管，制冷剂在所述制冷剂循环流动管内循环流动制冷；以及

真空室（20），连接至所述制冷机（10）上，并由所述制冷机（10）提供低温环境。

2.根据权利要求1所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述无液氦低温扫描隧道显微镜还包括第一减震装置（30），所述第一减震装置（30）密封连接在所述制冷机（10）和所述真空室（20）之间。

3.根据权利要求2所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述第一减震装置（30）包括：

波纹管（31），连接在所述制冷机（10）和所述真空室（20）之间；

支撑杆（32），连接在所述波纹管（31）的第一端的第一连接板（311）和所述波纹管（31）的第二端的第二连接板（312）之间，所述支撑杆（32）包括第一螺杆（321）和连接在所述第一螺杆（321）第一端的减震垫（322），所述第一螺杆（321）连接在所述第一连接板（311）上，所述减震垫（322）连接在所述第二连接板（312）上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述真空室（20）内设置有探头安装座（21），所述无液氦低温扫描隧道显微镜还包括探头组件（40），所述探头组件（40）包括探头架（41）、探头（42）和罩在所述探头架（41）外的铜屏蔽罩（43），所述探头（42）设置在所述探头架（41）上，所述探头架（41）通过第二减震装置（50）设置在所述探头安装座（21）上。

5.根据权利要求4所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述第二减震装置（50）包括减震弹簧（51），多个所述减震弹簧（51）沿所述探头组件（40）的周向均匀分布，所述探头架（41）通过所述减震弹簧（51）吊设在所述探头安装座（21）上。

6.根据权利要求5所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述第二减震装置（50）还包括涡流减震装置（52），所述涡流减震装置（52）包括：

底盘（53），设置在所述铜屏蔽罩（43）的底部；

阻尼片（521），设置在所述探头架（41）的底部；以及

永磁体（522），对应于所述阻尼片（521）设置在所述底盘（53）的顶部。

7.根据权利要求6所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，多个所述阻尼片（521）和多个所述永磁体（522）一一对应沿所述底盘（53）的周向方向依次间隔交错排布。

8.根据权利要求6所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述阻尼片（521）为铜片，所述永磁体（522）为钕铁硼磁铁。

9.根据权利要求4所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述无液氦低温扫描隧道显微镜还包括推拉装置（60），所述推拉装置（60）可伸缩地设置在所述探头安装座（21）的底部，所述推拉装置（60）具有支撑所述探头组件（40）的第一位置和脱离所述探头组件（40）的第二工作位置。

10.根据权利要求9所述的无液氦低温扫描隧道显微镜，其特征在于，所述推拉装置（60）包括：

第二螺杆（61），所述第二螺杆（61）通过轴承设置在所述探头安装座（21）上，所述第二螺杆（61）位于所述探头安装座（21）内的第一端设置有顶块（612），所述顶块（612）与所述第二螺杆（61）螺纹配合，并由所述第二螺杆（61）驱动上下移动，所述第二螺杆（61）的第二端设置有第一锥齿轮（611）；以及

磁力杆（62），所述磁力杆（62）可转动地设置在所述真空室（20）的侧壁上，所述磁力杆（62）的第一端设置有与所述第一锥齿轮（611）啮合的第二锥齿轮（621），所述磁力杆（62）的第二端设置有磁铁手柄（622）。