CN105430864A - 一种原子发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原子发生器，包括真空法兰、气体引入模块、加热模块、隔热模块、冷却模块和出口模块，气体引入模块包括供气源、真空微调阀和供气管；加热模块包括电源、钨毛细管和钨加热子；隔热模块包括固定安装在所述真空法兰上的钼隔热层；冷却模块包括套接在所述钼隔热层上的冷却套；出口模块包括设置在钨毛细管下方的出口支座，出口支座固定安装在钼隔热层上，其上设置有锥状内孔，锥状内孔的中心线与所述钨毛细管的中心线同线并且其顶端的直径小于其底端的直径。本原子发生器在原子出口处添加了一个有锥状内孔的出口支座，增加原子在小极角的流量密度，抑制原子在大极角的流量密度，改善出口处的原子束的角分布，提高原子利用率。

Description

一种原子发生器
技术领域
本发明属于原子发生器领域。
背景技术
原子发生器主要应用在表面科学和薄膜技术领域，可用于薄膜制备，材料表面清洗和表面氮化、氧化等处理，也可用于原子分子物理研究。
中国专利公开号CN201410411357.9的专利公开了一种基于多毛细管氢原子发生装置，用于将氢气裂解成氢原子，该装置包括多个相邻的金属毛细管，在金属毛细管外布置金属加热线圈，并接通高频交流电，产生高速变化的交变磁场，使位于磁场内的金属毛细管在电磁感应作用下产生无数涡流，该涡流使毛细管快速发热而温度升高，高温使通过毛细管内部的氢气裂解成氢原子。该装置主要针对氢气进行裂解，使用了多根毛细管来增加出口的氢原子的浓度，但其出口并未采取其他措施来改善氢原子的角度分布，容易造成原子浪费。
中国专利公开号为200610118104.8的专利公开了一种直流放电原子发生器，通过辉光放电和弧光放电来分解气体。该装置采用并联双电源，其中一个为辉光放电阶段供电，另一个为弧光放电阶段供电。使用时，先用一电源将电压加到一定值，使辉光放电启辉，再将电源二的电压加到一定值，使辉光放电转为弧光放电。该装置可产生多种气体的原子束，对于不同的气体起弧方式并不相同。此外，对于不同的气体还需要选用不同的阳极底片，更换比较麻烦，而且该装置的原子束出口为直径0.05-0.2cm的小孔，可以通过更改原子束引出口的直径，调节引出束中原子束强度，但是直径改变的同时也会影响总束流中原子/分子比以及真空室气压，也不能对出口原子的角度分布进行很好的控制，使得原子的利用效果并不好。
美国专利号为5693173的专利公开了一种通过加热将气体裂解成原子束的装置。该装置在高真空环境下，通过加热钨丝产生高温，加热气体，使气体裂解成原子，其中钨加热子在管道的内部，该管道并非毛细管，管道直径较大，原子束出口为一小孔，并未采取相应的措施增大小极角(极角为原子运动方向与毛细管中心线的夹角)的原子密度分布，也未采取措施减小大极角的原子密度分布。
美国专利号为6191416的专利公开了一种通过热辐射产生原子束的装置，该装置将电阻丝环绕在毛细管外，并将电阻丝通电，利用热辐射加热毛细管中的气体，使其裂解，得到原子，并采用水冷系统冷却整个装置。该装置的出口为一般圆形出口，没有对出口进行特别的设计，不能对出口原子角分布及密度进行控制。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种原子发生器，在原子出口处添加了一个出口支座，由原子发生器产生的原子束从圆柱形毛细管出口射出时，会在空间形成一个立体角分布，此出口支座可以增加原子在小极角的流量密度，抑制原子在大极角的流量密度，改善出口处的原子束的角分布，使其以特定角度、高密度地向外发散传输，提高原子利用率。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种原子发生器，其特征在于，包括真空法兰、气体引入模块、加热模块、隔热模块、冷却模块和出口模块，其中，
所述气体引入模块包括从上至下依次设置的供气源、真空微调阀和供气管，所述供气源通过所述真空微调阀与所述供气管连接，所述供气管竖直设置，其贯穿所述真空法兰并固定安装在所述真空法兰上；
所述加热模块包括电源、钨毛细管和钨加热子，所述电源通过电引入法兰与所述真空法兰连接，所述钨毛细管竖直设置，所述钨毛细管的上端固定连接在所述供气管的下端并且钨毛细管和供气管的内腔连通，所述钨加热子通过所述电源供电，其套接在所述钨毛细管的外侧，以用于对所述钨毛细管加热；
所述隔热模块包括固定安装在所述真空法兰上的钼隔热层，所述钼隔热层中空且整体呈圆柱形，所述钨毛细管和所述钨加热子均伸入所述钼隔热层的内腔；
所述冷却模块包括套接在所述钼隔热层上的冷却套，所述冷却套上设置有冷却水道；
所述出口模块包括设置在所述钨毛细管下方的出口支座，所述出口支座固定安装在所述钼隔热层上，其上设置有上小下大的、作为原子出口的锥状内孔，所述锥状内孔的中心线与所述钨毛细管的中心线同线。
优选地，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的锥角为20°＜θ1＜50°，所述第二锥孔的锥角为70＜θ2＜90°。
优选地，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的锥角为70＜θ2＜90°，所述第二锥孔的锥角为20°＜θ1＜50°。
优选地，所述钨加热子环绕所述钨毛细管的部分为螺旋部，所述螺旋部包括第一螺旋组和第二螺旋组，并且所述第一螺旋组和第二螺旋组的旋向相反。
优选地，还包括温度测量模块，所述温度测量模块包括热电偶和热电偶接口，所述热电偶固定设置在所述钨毛细管的外壁，以用于检测钨毛细管的温度并将此温度传送给控制装置，以使控制装置根据此温度调整所述电源施加在所述钨加热子上的温度。
优选地，所述热电偶接口通过热电偶引入法兰固定安装在所述真空法兰上。
优选地，所述控制装置为PID控制器。
优选地，所述冷却套由铜制成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本原子发生器在原子出口处添加了一个出口支座，其上设置有锥状内孔，由原子发生器产生的原子束从毛细管出口射出时，会在空间形成发散分布，添加此锥状内孔可以增加原子在较小极角范围的流量密度，抑制大极角处的原子流量密度，即较小极角范围内的原子数量增多，而较大的极角处的原子数量较少，改善出口处的原子束的发散角度分布，使其以特定的较小角度向外发散传输，提高原子利用率。
2)本原子发生器可以产生多种气体的原子束，包括氢气、氧气、氮气等；通过调节电源的输出电压和电流改变钨丝的加热功率，进而改变钨毛细管的温度，达到不同气体裂解所需的温度。
3)本发明的出口支座可以拆卸，更换为使对应原子碰撞时复合率较低的材质。例如，产生氢原子时，出口支座的材料选用与原子碰撞时复合率较低的石英，以提高锥状出口处的原子数。
4)本发明的电源采用直流稳压电源，可通过改变电源的电流和电压来改变加热的温度，同时，由于直流电源的电压并不是很高，所以对设备的绝缘要求并不太高，而且价格便宜。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中双绕式钨加热子绕在毛细管上的结构示意图；
图3、图4(a)、图4(b)分别是本发明中锥状内孔的不同形状；
图5是本发明的锥状内孔采用不同形状时原子角分布曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图5，一种原子发生器，包括真空法兰6、气体引入模块、钨毛细管11加热模块、隔热模块、冷却模块和出口模块，其中，
所述气体引入模块包括供气源1、真空微调阀2和供气管16，所述供气源1通过所述真空微调阀2与所述供气管16连接，所述供气管16竖直设置，其固定安装在所述真空法兰6上并贯穿所述真空法兰6；
所述钨毛细管11加热模块包括电源4、钨毛细管11和钨加热子10，所述电源4通过电引入法兰5与所述真空法兰6连接，所述钨毛细管11竖直设置，所述钨毛细管11的上端固定连接在所述供气管16的下端并且二者的内腔连通，所述钨加热子10用于对所述钨毛细管11加热并且其通过所述电源4供电；
所述隔热模块包括固定安装在所述真空法兰6上的钼隔热层9，所述钼隔热层9中空且整体呈圆柱形，所述钨毛细管11和所述钨加热子10均伸入所述钼隔热层9的内腔；
所述冷却模块包括套接在所述钼隔热层9上的冷却套8，所述冷却套8上设置有冷却水道；优选地，所述冷却套8由铜制成。
所述出口模块包括设置在所述钨毛细管11下方的出口支座13，所述出口支座13固定安装在所述钼隔热层9上，其上设置有锥状内孔12，所述锥状内孔12的中心线与所述钨毛细管11的中心线同线并且其顶端的直径小于其底端的直径。
优选地，所述锥状内孔12包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的锥角为20°＜θ1＜50°，所述第二锥孔的锥角为70＜θ2＜90°，在此角度下对增大小极角的原子密度分布，减小大极角的原子密度分布效果最好，有利于原子的集中。
或者作为另一种优选，所述锥状内孔12包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的锥角为70＜θ2＜90°，所述第二锥孔的锥角为20°＜θ1＜50°。
进一步，所述钨加热子10环绕所述钨毛细管11的部分为螺旋部，所述螺旋部包括第一螺旋组和第二螺旋组，并且所述第一螺旋组和第二螺旋组的旋向相反，采用这样两组可以更快更好地加热钨毛细管11，而且接线也比较方便。
进一步，还包括温度测量模块，所述温度测量模块包括热电偶14和热电偶接口18，所述热电偶14固定设置在所述钨毛细管11的外壁，以用于检测钨毛细管11的温度并将此温度传送给控制装置，以使控制装置根据此温度调整所述电源4施加在所述钨加热子10上的温度。优选地，所述控制装置为PID控制器。优选地，所述热电偶接口18通过热电偶引入法兰17固定安装在所述真空法兰6上。
本发明的供气源1通过真空微调阀2调节通入真空系统中的气体的流量，气体在经过真空微调阀2之后，由供气管16引入到钨毛细管11之中，气体分子通过与热的钨毛细管壁碰撞，裂解成原子，并从发散锥状内孔12进入到真空系统。该装置是通过热辐射的方式裂解气体分子得到原子束。
为了将钨毛细管加热到指定的温度，这里在钨毛细管11外布置了一圈双绕式钨加热子10，其与外部电源4相连，通过电源引入接口，将电能引入到钨加热子10中，外部电源通过调节电压和电流从而控制加热的温度。同时可通过贴在钨毛细管11上的热电偶14检测加热的温度。在这里钨丝的温度一般可以达到几千摄氏度，所以为了保证高温不影响周围的环境和破坏样品，在钨加热子10的周边都加上了钼隔热层9，同时在最外层套上了一层铜的冷却套8，冷却水从入口7进入，再从出口15流出，冷却水进入铜的冷却套8中，将多余的热量带出设备。
原子发生器的各个模块工作过程如下：
气体引入模块：首先将气体从供气源1引入到真空微调阀2，操作者通过调节真空微调阀2，可改变通入到原子发生器中的气体流量。气体经过真空微调阀2之后就进入供气管16，此部分主要作用是连接真空微调阀2和钨毛细管11，通过改变此段的长度，可以轻易的调整钨毛细管11伸入真空系统的长度。为了隔离钨毛细管11中的电流，供气管16与钨毛细管11之间采用陶瓷套连接。由于在这里气体基本处于分子流的状态，所以不需要特别高的密封要求。
加热模块：电源部分通过真空电源接线柱将电源4引入到真空系统中，并连接在钨加热子10的两端，通电后的钨加热子10将电能转换成热能，使钨毛细管11的温度升高，气体分子与热的钨毛细管11发生碰撞，裂解成原子。电源4的设计需要使钨毛细管11的温度达到几千摄氏度，这里可以采用直流电源，通过调节电源4的输出电压和电流改变钨加热子10的加热功率，进而改变钨毛细管11的温度。
温度测量模块：为了监控系统的加热效果，在钨毛细管11的外壁粘贴了热电偶14，并通过热电偶接口18与外部装置相连，以检测加热的温度，同时将热电偶14测得的数据传送给电源4，通过PID控制器来实现所需的控制精度。其中，热电偶接口18通过热电偶引入法兰17与真空法兰6相连接。
隔热模块：在钨加热子10的周边加上了钼隔热层9。
冷却模块：在钼隔热层9的外部套上冷却套8，通入冷却水，冷却水由入口7进入，再从出口15流出，将多余的热量带出系统。
出口模块：将原子发生器出口设置成一个出口支座12。由原子发生器产生的原子束从圆柱形管道出口射出时，会在空间发散分布，利用此锥状内孔12可以改变出口处的原子流的角分布，使其在较小的极角范围内向外发散传输，此小极角范围内的原子数量比较集中，能量比较大，因此能提高原子利用率。譬如在进行表面处理时，原子集中在一个小的角度范围内，有利于进行加工。
毛细管的圆柱形的内径D优选为D＝0.4～2mm，锥状内孔的总高度H优选为H≈1mm。
锥状内孔除了可以设计成只有一段圆锥孔构成，还可以采用两段圆锥孔构成，参照图4(a)、图(b)，两段锥形面上下设置，上一段锥角较大，下一段锥角较小。或者上一段锥角较小，下一段锥角较大，其中一圆锥孔的锥角θ1较小，其角度范围为：20°＜θ1＜50°，高度H1≈1.5～2mm；另一圆锥孔的锥角的较大，其角度范围为：70＜θ2＜90°，高度H2≈1.5～2mm。
由图5仿真结构可知，锥角较小(20°～50°)的锥状内孔对原子角分布的抑制范围比较广，但对较极角的原子抑制程度较低；另外，锥角较大(70°～90°)的锥状内孔对原子角分布的抑制范围比较窄，但对大极角抑制程度较高。所以，为达到抑制范围广、抑制程度高的效果，优选的方式是使锥状内孔采用两段圆锥孔，即锥角较小(20°～50°)的圆锥孔与锥角较大(70°～90°)的圆锥孔结合。
另外，还可以在出口支座的锥状内孔处的锥形结构采用镀膜的方式。当使对应原子碰撞时复合率较低的材质的价格较高或难以加工时，采用此方式可以降低成本。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种原子发生器，其特征在于，包括真空法兰、气体引入模块、加热模块、隔热模块、冷却模块和出口模块，其中，
所述气体引入模块包括从上至下依次设置的供气源、真空微调阀和供气管，所述供气源通过所述真空微调阀与所述供气管连接，所述供气管竖直设置，其贯穿所述真空法兰并固定安装在所述真空法兰上；
所述加热模块包括电源、钨毛细管和钨加热子，所述电源通过电引入法兰与所述真空法兰连接，所述钨毛细管竖直设置，所述钨毛细管的上端固定连接在所述供气管的下端并且钨毛细管和供气管的内腔连通，所述钨加热子通过所述电源供电，其套接在所述钨毛细管的外侧，以用于对所述钨毛细管加热；
所述隔热模块包括固定安装在所述真空法兰上的钼隔热层，所述钼隔热层中空且整体呈圆柱形，所述钨毛细管和所述钨加热子均伸入所述钼隔热层的内腔；
所述冷却模块包括套接在所述钼隔热层上的冷却套，所述冷却套上设置有冷却水道；
所述出口模块包括设置在所述钨毛细管下方的出口支座，所述出口支座固定安装在所述钼隔热层上，其上设置有上小下大的、作为原子出口的锥状内孔，所述锥状内孔的中心线与所述钨毛细管的中心线同线。
2.根据权利要求1所述的一种原子发生器，其特征在于，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的锥角为20°＜θ1＜50°，所述第二锥孔的锥角为70＜θ2＜90°。
3.根据权利要求1所述的一种原子发生器，其特征在于，所述锥状内孔包括从上至下依次设置的第一锥孔和第二锥孔，并且所述第一锥孔和第二锥孔的中心线同线，所述第一锥孔的锥角为70＜θ2＜90°，所述第二锥孔的锥角为20°＜θ1＜50°。
4.根据权利要求1所述的一种原子发生器，其特征在于，所述钨加热子环绕所述钨毛细管的部分为螺旋部，所述螺旋部包括第一螺旋组和第二螺旋组，并且所述第一螺旋组和第二螺旋组的旋向相反。
5.根据权利要求1所述的一种原子发生器，其特征在于，还包括温度测量模块，所述温度测量模块包括热电偶和热电偶接口，所述热电偶固定设置在所述钨毛细管的外壁，以用于检测钨毛细管的温度并将此温度传送给连接在热电偶接口的控制装置，以使控制装置根据此温度调整所述电源施加在所述钨加热子上的温度。
6.根据权利要求5所述的一种原子发生器，其特征在于，所述热电偶接口通过热电偶引入法兰固定安装在所述真空法兰上。
7.根据权利要求5所述的一种原子发生器，其特征在于，所述控制装置为PID控制器。
8.根据权利要求1所述的一种原子发生器，其特征在于，所述冷却套由铜制成。
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