CN106068054A - 一种流体冷却的气体亚稳态原子束流产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明采用射频气体放电方式，提供一种亚稳态原子束流激发装置。该装置由空心螺线圈组件、黄铜屏蔽层组件、限流导气管组件和超高真空法兰接口组件四部分组成。该装置可采用多种低温流体(空气、水、液氮等)对放电线圈进行冷却降温，克服了在真空环境下进行气体放电时，射频线圈无法散热而导致工作不稳定甚至无法工作的问题；将螺线圈置于导气管内部，通过气体分子与螺线圈管壁的碰撞，原子束流温度可预冷至与冷却介质相同的温度；通过降低原子束流速度，提高束流的准直度，增加原子处于激发区域时间，从而提高亚稳态原子的激发效率；放电系统的相对位置通过简单地增减定位垫环的数量调节，以满足不同工作状态的需求。

Description

一种流体冷却的气体亚稳态原子束流产生装置

技术领域

本发明涉及一种利用射频气体放电原理产生亚稳态原子束流的装置，可用于精密光谱测量、原子光刻、原子频标等研究和应用领域。

背景技术

高强度、高准直度的亚稳态原子束流在原子光刻、原子光学、原子碰撞、原子频标、精密光谱测量、痕量分析、玻色-爱因斯坦凝聚等诸多领域有重要用途。许多物理过程和应用只能通过高强度的原子束流实现。因此如何产生高强度的亚稳态原子束流就成为一个非常重要的技术问题。

通常可采用直流或射频气体放电的方式激发产生亚稳态原子束流。相比于直流放电方式，射频放电方式没有电极暴露在气体中，对工作环境没有污染，因而成为一种应用更广泛的激发方式。螺旋射频共振腔可以在相对较小的空间内产生品质因数比较高的射频共振系统，并且在低气压条件下也可以产生自持的低温等离子体放电，适合真空环境下气体放电应用。该共振腔采用螺线圈和屏蔽层组成，螺线圈由铜导线绕制，屏蔽层采用导电性能良好的导体材料制成，屏蔽层套装在螺线圈外面，射频信号通过线圈第一匝连接进共振腔实现阻抗匹配与功率耦合。该结构可以在200Pa以下的气压条件下实现稳定放电，激发产生所需要的原子束流。

上述结构存在如下问题：现有的射频气体放电方法在大气环境中使用相对稳定可靠，但是安装到真空环境中使用时，出现了不稳定的问题。螺旋共振腔在真空中工作时，只有小部分能量用于激发维持气体放电，大部分能量以热的形式积累。真空环境中气体分子密度极低，无法有效散热，导致线圈温度升高，影响放电稳定度和可重复性，由此导致超高真空系统多次暴露大气拆装线圈，影响系统的可靠运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

由于超高真空环境中气体分子密度非常低，高功率射频信号的加热效应使得放电线圈在工作中温度升高，绕制线圈的铜丝在高温下物理性质的改变，使得放电过程不能持续而终止；在放电终止之后，线圈的热量无法有效地传导出去，只能以热辐射的方式缓慢降温，因此铜丝出现退火效应，这一过程将彻底改变线圈特性，使得射频放电无法进行。本发明意在解决上述主要由于真空散热不好导致的线圈温度过高和线圈材料退火而引起的放电不稳定甚至无法放电的问题，提出一种采用有效冷却方法的解决方案。

本发明所采用的技术方案是：

采用空心铜管绕制螺线圈，与屏蔽层构成品质因数较高的射频共振腔，螺线圈第一匝焊接导线与射频信号端口连接，确保阻抗匹配，可以有效地将高功率射频信号耦合进放电区域，在限流导气管中合适的位置实现气体等离子体辉光放电，将基态原子激发到所需要的原子能级。通过真空接口将冷却介质(空气、水、液氮等)注入空心螺线圈中，对其进行冷却，控制工作过程中线圈温度，使其物理性质保持稳定，从而维持可自持的稳定气体放电；螺线圈置于放电导气管中，管壁作为冷却工作气体的冷源：气体分子通过与低温管壁碰撞而降低温度，可以获得与冷却介质相同的温度，因而减小束流发散角，提高束流准直度。

黄铜屏蔽层由圆筒和盖板组成，与空心螺线圈共同组成射频共振腔，实现高功率射频信号的有效共振耦合；限流导气管采用陶瓷/玻璃材料和四氟乙烯材料制成，采用氟胶圈密封固定在超高真空法兰上，通过流导控制实现气压从高压到低压的过渡，提供满足气体放电的压力条件，同时对束流进行准直；超高真空法兰提供真空密封与各类信号连接接口。

本发明的原理是：

空心螺线管管道可通入空气、水、液氮等低温介质，通过介质在螺线管中的循环带走高功率射频放电产生的额外热量：低温介质从进口流入螺线圈，到达螺线圈顶端后沿原路返回从出口流出；低温介质在螺线圈内流动时温度会逐渐升高，在螺线圈内产生温度的不均匀分布；螺线圈的结构采用进口管道和出口管道并列绕制的方式，高温部分和低温部分通过热传导传递热量，使得螺线圈中各个部分的温度保持均匀一致。空心螺线圈采用导热率较高的紫铜管，同时管道壁厚比较薄，使得管壁温度与低温介质温度基本相同，工作气体分子与管壁之间通过碰撞进行降温。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

本发明采用空心铜管绕制螺线圈，可在中空的铜管中通入冷却介质(空气、水、液氮等)对螺线圈进行冷却，工作过程中温度不会升高，工作状况稳定；

本发明采用冷却的铜管管壁直接对束流中原子进行冷却，可以将原子温度冷却到与冷却介质相同的温度，冷却效率高，相比采用冷却限流导气管使得原子降温的方法，原子能获得更低的温度，也能获得更好的束流准直度和更高的激发效率；

本发明采用进口与出口并排绕制的冷却线圈结构设计使得低温冷却部分的温度分布均匀，降温效果更加明显。

本发明采用同一个空心螺线圈冷却装置，对放电系统和工作气体进行同时冷却，省去了额外的冷却结构，装置更加简化；

附图说明

图1为亚稳态原子束流产生装置空心螺线圈结构示意图；

图2为亚稳态原子束流产生装置黄铜屏蔽层结构示意图；

图3为亚稳态原子束流产生装置限流导气管结构示意图；

图4为亚稳态原子束流产生装置超高真空法兰结构示意图；

图5为亚稳态原子束流产生装置总体装配结构示意图。

其中：1是绕制成的射频共振螺旋线圈，2和3分别是冷却介质(空气、水、液氮等)的进口和出口，4是射频信号输入接口，5、6和7是黄铜屏蔽层固定螺杆，8是屏蔽层盖板，9是屏蔽层圆筒，10、11和12是屏蔽层定位垫环，13是四氟乙烯定位导气管，14是陶瓷/玻璃限流导气管，15是密封氟胶圈，16是密封压环，17为超高真空密封双面法兰，18和19分别为冷却介质进口和出口，20为射频信号输入同轴电缆接口。

具体实施方式

图1为亚稳态原子束流产生装置空心螺线圈结构示意图。首先将外径2mm，内径1mm的铜管对折，注意保证弯头的连通性，不能压扁，导致流导减小；将对折后的铜管以折弯处为起点绕制成螺旋线圈1的形式；将铜管的两端剩余部分2和3依照图1所示的方式，以90的夹角折弯，再折向线圈顶端方向，使得铜管与线圈保持平行，控制铜管两端2和3与线圈的距离，使得可以与超高真空法兰17上的冷却介质接头18和19连接；射频信号4从线圈的第一匝接入，另一端与射频同轴电缆接口20相连。

如图2所示，亚稳态原子束流产生装置黄铜屏蔽层的主体部分由圆筒9和盖板8组成，其中盖板8上有定位槽用于在圆筒9上限定相对安装位置，固定螺杆5、6、7将屏蔽层固定在超高真空法兰17上，根据工作需要可通过定位垫环10、11、12数量的增减调节屏蔽层的相对位置。

图3为亚稳态原子束流产生装置限流导气管结构示意图。导气管由定位导气管13和限流导气管14组成。螺旋共振线圈套装在限流导气管中，气体放电主要在该部分进行。

图4为亚稳态原子束流产生装置超高真空法兰结构示意图。该部分主要为总体结构提供安装面板和接口。法兰主体17采用刀口密封CF型双面法兰设计，实现与内外真空系统的密封连接；冷却介质进出接口18和19焊接在法兰上，法兰面与介质导管连接部分开沉孔，仅焊接接缝薄层位置存在热接触，以减小向与法兰的热传导，导管在空气中的部分缠绕绝热保温材料减小与空气的热交换；射频电极20为超高真空陶瓷密封件，通过氩弧焊方式实现密封。

图5为亚稳态原子束流产生装置总体装配结构示意图。安装时，首先将限流导气管组件安装在超高真空法兰上，调节好管件的位置后采用氟胶圈固定密封；其次将屏蔽层固定螺杆、定位垫环和屏蔽层筒体装入，将螺线圈套装在导气管中，连接冷却介质接口和射频接口；再将屏蔽盖板安装在固定螺杆上，并使用螺丝进行固定；最后对线圈共振频率、品质因数进行测量，将超高真空法兰安装在真空系统上。该装置总体可进行高温烘烤，最高温度由氟胶圈和四氟乙烯材料决定，可达250℃。当真空度达到预定要求后，在空心螺线管中通入冷却介质对线圈进行预冷；待温度下降稳定，与冷却介质温度相同后，在限流导气管中通入工作气体，并调节到合适气压，通过射频信号接口接入经过功率放大的射频信号，实现低压气体等离子体放电；在气体放电区域，处于基态的气体原子经过与电子的相互碰撞获得能量，被激发到相应的原子能级，即产生亚稳态气体束流。

Claims (5)

1.一种流体预冷的气体亚稳态原子束流产生装置，其特征在于：采用空心铜管绕制螺线圈1，利用接口4满足螺旋射频共振腔(由螺线圈1和屏蔽层8、9组成)对信号耦合的要求，进行射频气体放电；通过接口2和3在空心铜管中通入低温介质(空气、水、液氮等)对线圈进行冷却，解决螺旋射频共振腔系统在真空中工作时无法散热导致放电不稳定的问题。

2.根据权利要求1所述的一种流体预冷的气体亚稳态原子束流产生装置，其特征在于：通过合理设计螺线圈1的结构，可将其置于限流导气管14内部，通过气体分子与螺线圈管壁的碰撞，将原子束流温度预冷至与低温冷却介质相同的温度；通过降低原子束流速度，在提高束流的准直度的同时，增加原子处于激发区域时间，提高亚稳态原子的激发效率。

3.根据权利要求1所述的一种流体预冷的气体亚稳态原子束流产生装置，其特征在于：螺线圈的进口管道与出口管采用并列绕制的方式，高温部分和低温部分通过热传导传递热量，使得螺线圈中各个部分的温度保持均匀一致。

4.根据权利要求1所述的一种流体预冷的气体亚稳态原子束流产生装置，其特征在于：射频放电系统的相对位置通过定位垫环10、11、12数量的增减在轴向进行灵活调节，以满足不同工作状态的需求。

5.根据权利要求1所述的一种流体预冷的气体亚稳态原子束流产生装置，其特征在于：该装置既可用于产生亚稳态原子束流源，同时也可用于产生工作气体的离子束流源。