CN108332184B

CN108332184B - 原子蒸汽束流产生器

Info

Publication number: CN108332184B
Application number: CN201710043740.7A
Authority: CN
Inventors: 姚星灿; 刘相培; 陈宇翱; 潘建伟
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: CN108332184A

Abstract

本发明公开了一种原子蒸汽束流产生器，包括原子烤炉、锥形回流管、喷嘴和准直孔管，原子烤炉用于产生原子蒸汽，锥形回流管与原子烤炉的第一出口连通，以将原子烤炉加热产生的原子蒸汽排入锥形回流管的锥形内腔，锥形回流管的内腔由靠近原子烤炉的一侧向远离原子烤炉的一侧渐缩，锥形回流管的内管壁温度较低，蒸汽很容易重新凝结为液珠，在重力的作用下，液珠会流回原子烤炉被重新加热产生蒸汽，以提高原子的利用率，而经过锥形回流管的原子蒸汽则通过喷嘴进入准直孔管，以得到原子蒸汽束流。本申请中公开的原子蒸汽束流产生器在原子烤炉与喷嘴之间设置了锥形回流管可使冷凝在管壁上的原子被再次利用，而提高了利用率，降低了成本。

Description

原子蒸汽束流产生器

技术领域

本发明涉及原子蒸汽技术领域，具体的说，涉及一种原子蒸汽束流产生器。

背景技术

随着理论和技术的发展，我们已经可以精确操控原子蒸汽进行各种科学研究和工业生产，比如微型芯片、空间原子钟、分子束外延生长、精密测量、量子信息与量子模拟以及纳米印刷等。自然状态下的原子蒸汽服从玻尔兹曼分布，其运动杂乱无章，难以控制和应用。因此，利用原子蒸汽束流产生器来高效稳定地产生各种准直的原子束流是上述应用的基础，有着巨大的市场需求。

合格的原子蒸汽束流产生器需要满足几个基本条件：1、它必须具有维持高真空环境的能力，否则背景杂散气体的碰撞将严重干扰束流的性质与应用。2、它产生的原子束流准直度高，通量大，能够满足各种应用场景的需求。3、它还必须具备加热控温功能，用于控制原子束的流量。4、它可以保证长时间稳定运行，减少系统更换带来的时间与金钱损失。5、该原子蒸汽束流产生器应当适用于多种金属元素。

当前的原子蒸汽束流产生器大都结构简单，仅由简单的原子烤炉、喷嘴和准直孔等构成。虽然性能满足基本需求，但都面临原子损失率高，真空度差，故障率高，使用寿命短等问题。

因此，提供一种原子蒸汽束流产生器，提高原子利用率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种原子蒸汽束流产生器，提高原子利用率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种原子蒸汽束流产生器，其包括：

用于产生原子蒸汽的原子烤炉；

与所述原子烤炉的第一出口连通的锥形回流管，所述锥形回流管的内腔由靠近所述原子烤炉的一侧向远离所述原子烤炉的一侧渐缩；

设置在所述锥形回流管的第二出口端的喷嘴；

准直孔管，所述准直孔管的准直孔与所述喷嘴相对连通。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，所述原子烤炉包括：

一端具有所述第一出口的中空管段，所述第一出口包括均与所述锥形回流管连通的蒸汽喷射孔和回流孔，所述蒸汽喷射孔用于原子蒸汽通过，所述回流孔用于回流所述锥形回流管回流的原子；

用于放置能够产生原子蒸汽的金属块的真空法兰，所述真空法兰与所述中空管段的另一端密封连接。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，所述中空管段的外侧远离所述真空法兰的一端具有位于所述中空管段的螺旋凹槽内的加热线和测温探头；

所述真空法兰与所述加热线之间具有位于所述中空管段内壁的高目数不锈钢网。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，所述锥形回流管的内壁上具有均匀分布的凹槽。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，所述喷嘴为直管圆形阵列形成的喷嘴。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，还包括设置在所述锥形回流管外壁且与所述喷嘴对应位置的加热件和所述加热件周围的散热件。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，所述准直孔的中轴线与所述喷嘴的中轴线重合。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，所述准直孔的路径内具有能够遮挡所述准直孔的挡板。

优选地，上述的原子蒸汽束流产生器中，还包括差分抽气管，所述差分抽气管的差分孔一端与所述准直孔连通。

经由上述的技术方案可知，本发明公开了一种原子蒸汽束流产生器，其包括原子烤炉、锥形回流管、喷嘴和准直孔管，其中，原子烤炉用于产生原子蒸汽，锥形回流管与原子烤炉的第一出口连通，以将原子烤炉加热产生的原子蒸汽排入锥形回流管的锥形内腔，由于锥形回流管的内腔由靠近原子烤炉的一侧向远离原子烤炉的一侧渐缩，并且锥形回流管的内管壁温度较低，蒸汽很容易重新凝结为液珠，在重力的作用下，液珠会流回原子烤炉被重新加热产生蒸汽，以提高原子的利用率，而经过锥形回流管的原子蒸汽则通过喷嘴进入准直孔管，以得到原子蒸汽束流。通过上述分析可知，本申请中公开的原子蒸汽束流产生器在原子烤炉与喷嘴之间设置了锥形回流管可使冷凝在管壁上的原子被再次利用，而提高了利用率，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的原子蒸汽束流产生器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的原子蒸汽束流产生器的剖视图；

图3为本发明实施例提供的原子烤炉的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的原子烤炉的各个位置的温度分布图；

图5为本发明实施例提供的锥形回流管的各个位置的温度分布图；

图6为本发明实施例提供的锥形回流管的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的喷嘴的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的准直孔管的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的准直孔管的剖视图；

图10为本发明实施例提供的差分抽气管的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的差分抽气管的剖视图；

图12为本发明实施例提供的差分抽气管的原理示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种原子蒸汽束流产生器，提高原子利用率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图11所示，本发明公开了一种原子蒸汽束流产生器，其包括原子烤炉1、锥形回流管2、喷嘴23和准直孔管3，其中，原子烤炉1用于产生原子蒸汽，即作为整个原子蒸汽束流产生器的原子蒸汽的发生装置，上述的锥形回流管2与原子烤炉1的第一出口连通，以将原子烤炉加热产生的原子蒸汽排入锥形回流管2的锥形内腔，由于锥形回流管2的内腔由靠近原子烤炉1的一侧向远离原子烤炉1的一侧渐缩，并且锥形回流管2的内管壁温度较低，蒸汽很容易重新凝结为液珠，在重力的作用下，液珠会流回原子烤炉1被重新加热产生蒸汽，以提高原子的利用率，而经过锥形回流管2的原子蒸汽则通过喷嘴23进入准直孔管3，以得到原子蒸汽束流。通过上述分析可知，本申请中公开的原子蒸汽束流产生器在原子烤炉1与喷嘴23之间设置了锥形回流管2可使冷凝在管壁上的原子被再次利用，而提高了利用率，降低了成本。

对于本申请利用到的物理原理进行说明：毛细效应--毛细效应的根源在于分子间引力。当浸润液体和固体表面接触时，液体自身内部分子和固体分子都对液体表面分子产生吸引力，但前者要弱于后者。正是这种差异导致液固交界处的液体密度倾向于变大，从而表现出易在固体表面延展的特性。当液体与固体的接触面存在毛细微管时，这种作用更加明显。我们知道，随着温度的升高，分子热运动会加剧，这在一定程度上减弱了分子间引力。当液体处于存在温度梯度的环境中时，其自身受到的分子引力合力将指向温度高的一侧。在这种作用的驱使下液体将自主向温度高的区域聚拢。

此外，气体分子的输运过程受到两种相互作用的影响：分子间的碰撞以及分子与管壁的碰撞。分子间的碰撞剧烈程度可以用平均自由程参数来描述，它由下式决定：其中T为分子温度，P为气体压强，d为分子有效直径。以锂原子为例d＝3α₀，α₀为波尔半径。当T＝400℃时，饱和蒸汽压P＝10^-4mmHg＝0.01Pa，此时，λ≈9m。通常情况下，原子蒸汽束流产生装置的尺寸都远小于该数值，所以蒸汽分子的运动可认为完全受管壁碰撞主导。根据碰撞的结果，分子与管壁的碰撞也可分为两种情形：全反射和全吸收。当管壁温度较高时，蒸汽分子与管壁碰撞后，会被完全反射；当管壁的温度较低时，蒸汽分子一旦与之碰撞接触，很大概率上会被永久黏住。对于这两种情况，当处于平衡态的气体分子通过一个直径为D，长度为L的管道后，形成束流的发散角略有不同，但都可以近似表达为：θ＝D/L。此外，总的原子通量与管道面积成正相关。

本申请中在原子烤炉1与喷嘴23之间设置的锥形回流管2则利用毛细效应以及气体分子的输运过程的受力，而实现将冷凝在锥形回流管的内壁上的原子回流至原子烤炉1内，以进行再次利用，其余的则通过第一出口与锥形回流管2中轴线区域经第二出口排出，获得了初步的准直蒸汽束流。

本申请中公开的原子烤炉1具体包括中空管段12和真空法兰11。其中，中空管段12的一端为第一出口另一端与真空法兰11密封连接，具体为焊接。中空管段12为一根不锈钢管，具体采用316不锈钢，具有真空放气率低，与众多原子兼容性高，且易于生产加工等优点。上述第一出口包括用于原子蒸汽通过的蒸汽喷射孔13和回流锥形回流管2回流的原子的回流孔14。上述的真空法兰11为CF35真空法兰，用于放置能够产生原子蒸汽的金属块。本申请中的回流孔14绕蒸汽喷射孔13的周向均匀布置，并且回流孔14为腰形孔。

中空管段12在靠近第一出口的一端的外侧刻有螺旋凹槽，用于焊接固定加热线15及测温探头，能起到对金属源进行加热并控温的作用。加热线15焊接缠绕时，应采取双线并绕方式，这样可以避免加热电流产生干扰磁场。另外需要注意的是，真空法兰11的密封部位不能承受高温，且非常容易受到原子的侵蚀。为了解决这个问题，首先在原子加热区和真空法兰11间预留出足够的距离，利用不锈钢材质热传导较差的性质使法兰部位温度自然降低。另外，紧贴中空管段12内壁放置了几层高目数不锈钢网16。由于真空法兰部位没有加热，整个原子烤炉就形成了从尾部(低温)到头部(高温)的温度梯度(如图4所示)。如上文所述原理，在温度梯度和毛细效应的双重影响下，金属将更多的处于加热的中心区域。

一般而言，造成原子束流发生器使用寿命短的症结在于原子利用率不高。当金属块被加热为蒸汽向前喷射的过程中，大部分金属原子会被低温管壁阻挡而冷凝堆积，不仅污染真空，还造成巨大浪费。基于此考虑，增加了锥形回流区。本申请中的锥形回流区为一个锥形管壁，此区域没有被主动加热，但整体温度依然保持在金属的熔点之上。从烤炉中产生的原子蒸汽绝大部分会碰撞到锥形壁上。由于管壁温度较低，蒸汽很容易重新凝结为液珠。在重力的作用下，液珠会流回原子烤炉被重新加热产生蒸汽。为了增强这种回流效应，优选的实施例中，在锥形内壁上密集加工出凹槽充当毛细管，以利用毛细管的毛细回流作用。由于锥形回流区紧挨烤炉加热区，自然会形成指向烤炉高温部的温度梯度。在重力、毛细管和温度梯度的多重作用下，冷凝液珠将通过回流孔回流到烤炉中，极大增加了原子利用率。

没有被锥形回流区阻挡的原子蒸汽将通过喷嘴23结构向后喷出，形成初步准直的原子束流。通常的喷嘴设计为一个直径较小的圆柱形通道，当喷嘴长度为L，直径为D时，得到的束流发散角为Θ＝D/L，喷射的原子束流量正比于喷嘴面积。为了尽可能地减小发散角，在不影响原子束流量的基础上提高准直度，本申请中的喷嘴23为直管圆形阵列形成的喷嘴，对于直管的直径较小。如图(7)所示，直管圆形阵列形成的喷嘴由密集堆积的薄壁圆柱微管组成，不影响原子束流量，又将原子发散角减小为θ＝d/L，其中d为微管直径，准直度将提高D/d倍。

值得注意的是，随着微管内径的减少和长度的增加，堵塞的风险也随之提高，因此，无法仅通过微管阵列来实现高度准直的原子束流。为了尽可能减少阻塞的发生，在喷嘴23对应的位置上焊接加热件21，具体为加热线以进行高温加热。为了不破坏锥形回流管现有的温度梯度，还设计了散热件22(如图5)，以防温度梯度方向反转，影响回流效果。

为了进一步增加原子束流准直度，在喷嘴23的喷出方向连接了准直孔管3，并且准直孔管3的中轴线与喷嘴23的中轴线重合，本申请中的喷嘴23为圆形喷嘴。为了能够控制原子束流的产生与关断，方便后续应用，在准直孔31的路径内设置了能够遮挡准直孔31的挡板32，通过挡板32实现准直孔31的通断。具体地，在准直孔管3的准直孔31路径范围内之间设计了一个CF35真空法兰，用于连接电控的真空挡板。当需要完全切断原子束流时，只需通过程序控制挡板32落下即可。

在整个原子蒸汽束流产生器的中间部位，即准直孔管3的输出端还预留有多个法兰端口，用于连接各种真空视窗，真空泵等。真空视窗既可以作为观察窗口，监控原子束流的状况，也可以通过激光对原子蒸汽实施横向冷却，降低横向速度，进一步减小束流发散角。

此外，更进一步的实施例中，该原子蒸汽束流发生器还包括差分抽气管4，并且该差分抽气管4的差分孔41一端与准直孔31连通。在实际中该差分抽气管4另一端可连接真空泵或者其他原子蒸汽相关后续试验的装置。

有些金属原子，化学活性极佳，在空气中会迅速被氧化，尽管通过各种化学清洗手段来对它进行预处理，但是在高温加热后，附着在其上的残留物仍会释放大量的杂质气体，为了解决这类问题，在原子蒸汽束流产生器中还设置了一段差分抽气管4，以保证主试验腔的超高真空环境。在锂的实施案例中，差分孔41内径为3.5mm，长200mm。当流动介质为20摄氏度的空气时，计算得到流导为C＝0.026L/s。再配合抽速为20L/s的真空泵，差分抽气管两侧可以维持的最大压强比约为770。

差分抽气管的原理：如图(12)所示，A、B两个腔室由直径为D，长度为L₁的管道连接。在真空环境下，气体分子运动的平均自由程远大于管道直径D，因此气体分子穿过管道主要限制因素为分子与管壁的碰撞。此时管道可以提供的流导为为分子的平均热运动速度。A腔室连接有一个真空泵，其抽速为S_A。受限于管道的流导，该真空泵在B腔室的有效抽速仅为S_B=(1/S_A+1/C)^-1。假设腔室内的杂质气体全部来自B腔室，那么在稳定情况下，A、B腔室之间将存在压强差，其比例为为P_A/P_B＝S_B/S_A。当管道直径较小时，有S_A＞＞C，上式可简化为P_A/P_B＝C/S_A。当然，在实际系统中情况会更加复杂，例如，A腔室也有杂质气体产生，B腔室也可能会连接有真空泵。因此上述公式仅反应A，B两个腔室之间可维持的压差上限。由此可见，当需要维持高真空环境的腔室毗邻一个杂质气体较多、真空度很差的腔室时，可以用一个流导较小的管道连接它们，将杂质气体对高真空环境的影响尽可能削弱。

在本专利的方案中，我们创新性地采用锥形回流管、温差毛细效应回流、微管阵列准直和差分真空泵等设计，在提供足量高准直度原子蒸汽束流的同时，又能保持长时稳定工作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种原子蒸汽束流产生器，其特征在于，包括：

用于产生原子蒸汽的原子烤炉(1)；

与所述原子烤炉(1)的第一出口连通的锥形回流管(2)，所述锥形回流管(2)的内腔由靠近所述原子烤炉(1)的一侧向远离所述原子烤炉(1)的一侧渐缩；

设置在所述锥形回流管(2)的第二出口端的喷嘴(23)；

准直孔管(3)，所述准直孔管(3)的准直孔(31)与所述喷嘴(23)相对连通。

2.根据权利要求1所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，所述原子烤炉(1)包括：

一端具有所述第一出口的中空管段(12)，所述第一出口包括均与所述锥形回流管(2)连通的蒸汽喷射孔(13)和回流孔(14)，所述蒸汽喷射孔(13)用于原子蒸汽通过，所述回流孔(14)用于回流所述锥形回流管(2)回流的原子；

用于放置能够产生原子蒸汽的金属块的真空法兰(11)，所述真空法兰(11)与所述中空管段(12)的另一端密封连接。

3.根据权利要求2所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，所述中空管段(12)的外侧远离所述真空法兰(11)的一端具有位于所述中空管段(12)的螺旋凹槽内的加热线(15)和测温探头；

所述真空法兰(11)与所述加热线(15)之间具有位于所述中空管段(12)内壁的高目数不锈钢网(16)。

4.根据权利要求1所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，所述锥形回流管(2)的内壁上具有均匀分布的凹槽。

5.根据权利要求1所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，所述喷嘴(23)为直管圆形阵列形成的喷嘴。

6.根据权利要求5所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，还包括设置在所述锥形回流管(2)外壁且与所述喷嘴(23)对应位置的加热件(21)和所述加热件(21)周围的散热件(22)。

7.根据权利要求1所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，所述准直孔(31)的中轴线与所述喷嘴(23)的中轴线重合。

8.根据权利要求1所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，所述准直孔(31)的路径内具有能够遮挡所述准直孔(31)的挡板(32)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的原子蒸汽束流产生器，其特征在于，还包括差分抽气管(4)，所述差分抽气管(4)的差分孔(41)一端与所述准直孔(31)连通。