CN105698151A - 用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源 - Google Patents

Abstract

一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源。汞杯底部与多级半导体制冷片(TEC)顶部粘接，TEC底部与热沉顶部粘接，热沉通过通水法兰安装在超高真空系统上。汞杯侧壁粘有温度传感器，温度传感器和TEC通过Feedthrough与外部实现电气连接。汞杯中盛有单质汞，汞蒸气可扩散到整个真空系统内部。本发明实现对超高真空系统内部汞蒸气密度的控制。TEC通电时，汞杯得到制冷，产生热量传递给热沉，冷却水通过通水法兰进入热沉内部带走热量。由于温度降低，汞杯内的单质汞对应的饱和蒸气压降低，从而使真空系统内汞蒸气密度降低。温度传感器可检测汞杯温度，控制TEC电流即可控制系统内汞蒸气密度。

Description

用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源

技术领域

本发明涉及物理实验装置领域和真空设备领域。通过半导体制冷片(TEC)制冷，降低金属汞的蒸气压，从而在超高真空系统内产生可控浓度的汞蒸气。

背景技术

在涉及激光冷却的原子物理实验中，均需要在真空系统内产生待冷却原子一定浓度的背景蒸气，因此需要一个专门设计的蒸气源。对于Rb、Yb、Sr等常用于激光冷却实验的原子来说，由于它们在室温下的蒸气压非常低，远远达不到实验需求的浓度，因此需要适当的加热或者通电激活。而对于汞，它在常温下呈液态，蒸气压太大，需要降温来使它产生的蒸气浓度符合实验的要求。目前世界上进行汞原子激光冷却相关实验的单位极少，并没有成熟的汞蒸气源技术。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，用于激光冷却物理实验，通过半导体制冷片制冷(以下简称TEC)，在超高真空系统内产生可控特定浓度的汞原子蒸气。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，从上到下主要包括四个部分：顶端是汞杯，以及其内盛装的单质汞、外表面粘贴温度传感器；接下来是真空多级TEC；然后是热沉；底部是通水法兰。汞杯底部和TEC顶部通过真空胶粘接，TEC底部和热沉顶部用真空胶粘接，热沉底部通过通水法兰固定在系统真空腔腔体上，通水法兰有进水管和出水管，所述的温度传感器与所述的超高真空系统的连接线法兰相连。

汞杯是一个圆柱形的杯子，作为汞单质的容器。它的外表面通过真空胶粘贴有温度传感器，可将汞杯温度实时转换为电信号。

真空多级TEC具有低放气率、耐高温且制冷温差大的特点，通电时顶部制冷，将热量转移到底部，并传给热沉。

热沉呈中空圆柱形，顶端封闭，底部无底呈开口状且有一圈向外扩张的边沿。该边沿可以用来作为法兰垫圈，使通水法兰和真空腔体可以通过法兰方式固定，同时使热沉内部与真空系统内部隔开。

通水法兰与真空腔壁上的法兰连接孔配合，可将热沉固定在真空系统上。通水法兰中间具有一高(出水)一低(进水)两个水管贯通，可将冷却水通入热沉内部。根据热胀冷缩原理，低进高出的设置可以最有效地带走热沉的热量。

温度传感器和TEC与外部的电气连接通过Feedthrough实现。

本发明的技术效果：

本发明安装于超高真空系统腔体上，可耐受超高真空制备必经的高温烘烤过程。真空制备完毕后，通入氮气作为保护气体，打开真空系统，在汞杯内装入单质汞并封闭真空系统。利用通水法兰通入冷却水循环，给TEC通电制冷，对真空系统进行抽气，并用离子泵维持。改变TEC电流即可改变汞杯内汞单质的温度，改变其蒸气压，汞杯侧壁的温度传感器可以实时监测汞杯温度。

增大TEC电流，可使汞杯温度降低至-75℃，此时汞单质的蒸气压大约为6×10^-9Torr。扩散出来的汞蒸气极少，系统内维持一个很高的真空度。减小TEC电流，汞杯温度升高，扩散出来的汞蒸气增加，系统内存在足够的背景汞原子气体。根据不同的实验要求，选择特定的TEC电流，可使系统内维持一个特定的汞原子气体密度。

附图说明

图1是本发明结构爆炸图

图2是本发明使用状态的剖面图

附图标记：

1汞杯，2多级TEC，3热沉，4通水法兰，5进水管，6出水管，7温度传感器，8连接线法兰(Feedthrough)，9腔体

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

超高真空环境要求其内元件放气率低，且可以耐受超高真空制备过程必须的烘烤过程，同时本发明涉及制冷和热量传递，相关元件的热导率要满足要求。因此本实施例中汞杯和热沉采用无氧铜材料，具有热导率高、真空放气率低的优点。温度传感器为真空Pt100铂热电阻。采用奥冷6级真空TEC，呈梯形，上下最大制冷温差可达131℃。通水法兰采用不锈钢材料，口径为CF35，真空腔具有对应规格的法兰连接孔，热沉底部扩展的边沿直径与CF35法兰连接紫铜圈相同。

真空胶采用EPO-TEK公司的环氧树脂系列胶水，如H77。汞杯底部和TEC顶部粘接，热沉和TEC底部粘接，而热沉底部扩展的外沿作为法兰垫圈，使通水法兰和真空腔法兰孔可以进行法兰连接。

如图1所示的可控低温汞蒸气源，通过通水法兰4安装在超高真空系统的腔体9内部，汞杯1中盛有少量单质汞，汞蒸气可以通过蒸发/升华扩散到整个腔体9内部。通过连接线法兰8给多级TEC2通电，汞杯1和其内的汞单质得到冷却。控制TEC2电流即可控制汞杯1最终冷却温度。不同温度下的单质汞具有对应的蒸气压，于是腔体9内的汞蒸气压得到控制。

汞杯1侧壁粘贴的温度传感器7(在本实例中为但不局限于真空Pt100)可以实时将温度信号转化为电信号，并通过连接线法兰8传给外部监控。

多级TEC2冷却产生的热量聚集于下表面，传导给热沉3。通过进水管5通入循环冷却水带走热量，热水通过出水管6流出。

Claims (3)

1.一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，其特征为：包括内盛装有单质汞、且外表面粘贴温度传感器(7)的汞杯(1)、真空多级TEC(2)、中空热沉(3)具有进水口及出水口的通水法兰(4)、进水管(5)和出水管(6)；

所述的汞杯(1)的底部和TEC(2)的顶部通过真空胶粘接，TEC(2)的底部和热沉(3)的顶部用真空胶粘接，热沉(3)底部通过通水法兰(4)固定在所述的超高真空系统的腔体(9)上，所述的进水管(5)的一端通过通水法兰(4)的进水口伸入中空热沉(3)中，所述的出水管(6)的一端通过通水法兰(4)的出水口伸入中空热沉(3)中，所述的温度传感器(7)与所述的超高真空系统的连接线法兰相连(8)。

2.根据权利要求1所述的用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，其特征为：所述的热沉(3)为空心圆柱形，顶端封闭，底部开口且边缘向外突出。

3.根据权利要求1所述的用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，其特征为：所述的通水法兰(4)的出水管(6)靠近热沉(3)内部顶端，进水管(5)比出水管(6)的高度低。