CN109632414B - 一种适用于超高真空系统的可控温真空结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在超高真空环境下制备冷原子样品时原子源与一级真空腔之间的真空结构，具体是一种适用于超高真空系统的可控温真空结构。本发明解决了现有原子源与一级真空腔之间的真空结构导致到达二级真空腔的原子数目剧烈减少的问题。一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，包括真空导管、第一方形导热铝块、第二方形导热铝块、第一TEC芯片、第二TEC芯片、第一方形水冷铝板、第二方形水冷铝板、第一塑料螺丝、第二塑料螺丝、第一铜管、第二铜管、第一快速接头、第二快速接头、第一法兰盘、第二法兰盘、第一圆形挡板、第二圆形挡板。本发明适用于在超高真空环境下制备冷原子样品。

Description

一种适用于超高真空系统的可控温真空结构

技术领域

本发明涉及在超高真空环境下制备冷原子样品时原子源与一级真空腔之间的真空结构，具体是一种适用于超高真空系统的可控温真空结构。

背景技术

自激光冷却与俘获中性原子实验上实现以来，冷原子技术在基础与应用科学研究中取得了快速发展，在量子精密测量、重力干涉仪、冷原子喷泉钟的研究中有着重要应用。目前，带塞曼减速器的二级真空腔系统是在超高真空环境下制备冷原子样品的有效途径。该系统工作时，要求二级真空腔的真空度维持在10^-9Pa量级，为此要求一级真空腔的真空度维持在10^-8Pa量级。为了使一级真空腔的真空度维持在10^-8Pa量级，需要在原子源与一级真空腔之间设置真空结构。在现有技术条件下，原子源与一级真空腔之间的真空结构普遍采用大倍率的差分管道。然而实践表明，大倍率的差分管道由于结构过细、过长，会加剧原子束流在传输过程中的损失，由此削弱到达一级真空腔的原子束流，从而导致到达二级真空腔的原子数目剧烈减少。基于此，有必要发明一种全新的真空结构，以解决现有原子源与一级真空腔之间的真空结构存在的上述问题。

发明内容

本发明为了解决现有原子源与一级真空腔之间的真空结构导致到达二级真空腔的原子数目剧烈减少的问题，提供了一种适用于超高真空系统的可控温真空结构。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，包括真空导管、第一方形导热铝块、第二方形导热铝块、第一TEC芯片、第二TEC芯片、第一方形水冷铝板、第二方形水冷铝板、第一塑料螺丝、第二塑料螺丝、第一铜管、第二铜管、第一快速接头、第二快速接头、第一法兰盘、第二法兰盘、第一圆形挡板、第二圆形挡板；

其中，第一方形导热铝块的下表面开设有左右贯通的第一半圆形卡槽，且第一半圆形卡槽的槽壁与真空导管的外侧面中段上半部吻合固定；第一方形导热铝块的上表面四角各开设有一个第一螺纹凹孔；第二方形导热铝块的上表面开设有左右贯通的第二半圆形卡槽，且第二半圆形卡槽的槽壁与真空导管的外侧面中段下半部吻合固定；第二方形导热铝块的下表面四角各开设有一个第二螺纹凹孔；第二方形导热铝块的后表面中央开设有测温凹孔；第一TEC芯片贴装于第一方形导热铝块的上表面；第二TEC芯片贴装于第二方形导热铝块的下表面；第一方形水冷铝板的下表面与第一TEC芯片的上表面接触；第一方形水冷铝板的四角各开设有一个上下贯通的第一通孔；第二方形水冷铝板的上表面与第二TEC芯片的下表面接触；第二方形水冷铝板的四角各开设有一个上下贯通的第二通孔；

第一塑料螺丝的数目为四个；四个第一塑料螺丝一一对应地贯穿四个第一通孔，且四个第一塑料螺丝的尾端一一对应地旋拧于四个第一螺纹凹孔内；第二塑料螺丝的数目为四个；四个第二塑料螺丝一一对应地贯穿四个第二通孔，且四个第二塑料螺丝的尾端一一对应地旋拧于四个第二螺纹凹孔内；第一铜管的数目为两个；两个第一铜管的首端分别与第一方形水冷铝板的两个输水口连通；第二铜管的数目为两个；两个第二铜管的首端分别与第二方形水冷铝板的两个输水口连通；第一快速接头的数目为两个；两个第一快速接头分别安装于两个第一铜管的尾端；第二快速接头的数目为两个；两个第二快速接头分别安装于两个第二铜管的尾端；

第一法兰盘的内侧面设有螺纹，且第一法兰盘的右端面内边缘与真空导管的左端面固定；第二法兰盘的内侧面设有螺纹，且第二法兰盘的左端面内边缘与真空导管的右端面固定；第一圆形挡板的外侧面设有螺纹，且第一圆形挡板的外侧面与第一法兰盘的内侧面螺纹配合；第一圆形挡板的中央贯通开设有第一准直小孔；第二圆形挡板的外侧面设有螺纹，且第二圆形挡板的外侧面与第二法兰盘的内侧面螺纹配合；第二圆形挡板的中央贯通开设有第二准直小孔。

工作时，两个第一快速接头、两个第二快速接头均与外部冷却水管路连通。第一TEC芯片的输入端、第二TEC芯片的输入端均与外部温度控制器的输出端连接。测温凹孔内插装有热敏电阻，且热敏电阻的输出端与外部温度控制器的输入端连接。第一法兰盘与装有原子源的热管炉连接。第二法兰盘与一级真空腔连接。热管炉经加热后开始向周围喷射原子束流，原子束流依次穿过第一准直小孔、真空导管、第二准直小孔后进入一级真空腔。在此过程中，热敏电阻实时测量真空导管的温度。外部温度控制器将热敏电阻测得的温度与设定温度（5℃）进行比较，并根据比较结果驱动第一TEC芯片和第二TEC芯片对真空导管进行制冷，由此使得真空导管的温度维持在5℃，从而使得真空导管的真空度维持在10^-7Pa量级，进而使得一级真空腔的真空度维持在10^-8Pa量级。当第一TEC芯片和第二TEC芯片对真空导管进行制冷时，第一TEC芯片的上表面和第二TEC芯片的下表面均会释放热量，该热量经由第一方形水冷铝板和第二方形水冷铝板带走。四个第一塑料螺丝和四个第二塑料螺丝一方面起到紧固作用，另一方面能够有效防止冷却水的温度对第一TEC芯片的制冷温度和第二TEC芯片的制冷温度形成制约。

基于上述过程，与现有原子源与一级真空腔之间的真空结构相比，本发明所述的一种适用于超高真空系统的可控温真空结构通过采用全新结构，实现了将一级真空腔的真空度维持在10^-8Pa量级，由此有效减小了原子束流在传输过程中的损失，从而使得到达一级真空腔的原子束流不会被削弱，进而使得到达二级真空腔的原子数目不会剧烈减少。

进一步地，还包括第一塑料隔热外壳、第二塑料隔热外壳；第一塑料隔热外壳的前端设有敞口；第一塑料隔热外壳的后壁上部分别贯通开设有两个第一引出孔；第一塑料隔热外壳的后壁下部分别贯通开设有两个第二引出孔；第一塑料隔热外壳的后壁中部分别贯通开设有第一穿线孔、第二穿线孔；第一塑料隔热外壳的左壁前边缘开设有左一半圆形豁槽；第一塑料隔热外壳的右壁前边缘开设有右一半圆形豁槽；第二塑料隔热外壳的后端设有敞口；第二塑料隔热外壳的左壁后边缘开设有左二半圆形豁槽；第二塑料隔热外壳的右壁后边缘开设有右二半圆形豁槽；第一塑料隔热外壳的前端敞口与第二塑料隔热外壳的后端敞口对接；两个第一铜管分别贯穿两个第一引出孔；两个第二铜管分别贯穿两个第二引出孔；左一半圆形豁槽的槽壁与真空导管的外侧面左端后半部吻合固定，且左一半圆形豁槽位于第一法兰盘的右侧；右一半圆形豁槽的槽壁与真空导管的外侧面右端后半部吻合固定，且右一半圆形豁槽位于第二法兰盘的左侧；左二半圆形豁槽的槽壁与真空导管的外侧面左端前半部吻合固定，且左二半圆形豁槽位于第一法兰盘的右侧；右二半圆形豁槽的槽壁与真空导管的外侧面右端前半部吻合固定，且右二半圆形豁槽位于第二法兰盘的左侧。工作时，第一塑料隔热外壳和第二塑料隔热外壳共同起到封闭作用，由此有效防止了真空导管上冷热交汇之处出现凝结水珠。热敏电阻的信号传输线通过第一穿线孔向外引出。第一TEC芯片的信号传输线和第二TEC芯片的信号传输线均通过第二穿线孔向外引出。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有原子源与一级真空腔之间的真空结构导致到达二级真空腔的原子数目剧烈减少的问题，适用于在超高真空环境下制备冷原子样品。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的另一种结构示意图。

图中：1-真空导管，2a-第一方形导热铝块，2b-第二方形导热铝块，3a-第一TEC芯片，3b-第二TEC芯片，4a-第一方形水冷铝板，4b-第二方形水冷铝板，5a-第一塑料螺丝，5b-第二塑料螺丝，6a-第一铜管，6b-第二铜管，7a-第一快速接头，7b-第二快速接头，8a-第一法兰盘，8b-第二法兰盘，9b-第二圆形挡板，10-测温凹孔，11b-第二准直小孔，12a-第一塑料隔热外壳，12b-第二塑料隔热外壳，13a-第一引出孔，13b-第二引出孔，14a-第一穿线孔，14b-第二穿线孔。

具体实施方式

一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，包括真空导管1、第一方形导热铝块2a、第二方形导热铝块2b、第一TEC芯片3a、第二TEC芯片3b、第一方形水冷铝板4a、第二方形水冷铝板4b、第一塑料螺丝5a、第二塑料螺丝5b、第一铜管6a、第二铜管6b、第一快速接头7a、第二快速接头7b、第一法兰盘8a、第二法兰盘8b、第一圆形挡板、第二圆形挡板9b；

其中，第一方形导热铝块2a的下表面开设有左右贯通的第一半圆形卡槽，且第一半圆形卡槽的槽壁与真空导管1的外侧面中段上半部吻合固定；第一方形导热铝块2a的上表面四角各开设有一个第一螺纹凹孔；第二方形导热铝块2b的上表面开设有左右贯通的第二半圆形卡槽，且第二半圆形卡槽的槽壁与真空导管1的外侧面中段下半部吻合固定；第二方形导热铝块2b的下表面四角各开设有一个第二螺纹凹孔；第二方形导热铝块2b的后表面中央开设有测温凹孔10；第一TEC芯片3a贴装于第一方形导热铝块2a的上表面；第二TEC芯片3b贴装于第二方形导热铝块2b的下表面；第一方形水冷铝板4a的下表面与第一TEC芯片3a的上表面接触；第一方形水冷铝板4a的四角各开设有一个上下贯通的第一通孔；第二方形水冷铝板4b的上表面与第二TEC芯片3b的下表面接触；第二方形水冷铝板4b的四角各开设有一个上下贯通的第二通孔；

第一塑料螺丝5a的数目为四个；四个第一塑料螺丝5a一一对应地贯穿四个第一通孔，且四个第一塑料螺丝5a的尾端一一对应地旋拧于四个第一螺纹凹孔内；第二塑料螺丝5b的数目为四个；四个第二塑料螺丝5b一一对应地贯穿四个第二通孔，且四个第二塑料螺丝5b的尾端一一对应地旋拧于四个第二螺纹凹孔内；第一铜管6a的数目为两个；两个第一铜管6a的首端分别与第一方形水冷铝板4a的两个输水口连通；第二铜管6b的数目为两个；两个第二铜管6b的首端分别与第二方形水冷铝板4b的两个输水口连通；第一快速接头7a的数目为两个；两个第一快速接头7a分别安装于两个第一铜管6a的尾端；第二快速接头7b的数目为两个；两个第二快速接头7b分别安装于两个第二铜管6b的尾端；

第一法兰盘8a的内侧面设有螺纹，且第一法兰盘8a的右端面内边缘与真空导管1的左端面固定；第二法兰盘8b的内侧面设有螺纹，且第二法兰盘8b的左端面内边缘与真空导管1的右端面固定；第一圆形挡板的外侧面设有螺纹，且第一圆形挡板的外侧面与第一法兰盘8a的内侧面螺纹配合；第一圆形挡板的中央贯通开设有第一准直小孔；第二圆形挡板9b的外侧面设有螺纹，且第二圆形挡板9b的外侧面与第二法兰盘8b的内侧面螺纹配合；第二圆形挡板9b的中央贯通开设有第二准直小孔11b。

还包括第一塑料隔热外壳12a、第二塑料隔热外壳12b；第一塑料隔热外壳12a的前端设有敞口；第一塑料隔热外壳12a的后壁上部分别贯通开设有两个第一引出孔13a；第一塑料隔热外壳12a的后壁下部分别贯通开设有两个第二引出孔13b；第一塑料隔热外壳12a的后壁中部分别贯通开设有第一穿线孔14a、第二穿线孔14b；第一塑料隔热外壳12a的左壁前边缘开设有左一半圆形豁槽；第一塑料隔热外壳12a的右壁前边缘开设有右一半圆形豁槽；第二塑料隔热外壳12b的后端设有敞口；第二塑料隔热外壳12b的左壁后边缘开设有左二半圆形豁槽；第二塑料隔热外壳12b的右壁后边缘开设有右二半圆形豁槽；第一塑料隔热外壳12a的前端敞口与第二塑料隔热外壳12b的后端敞口对接；两个第一铜管6a分别贯穿两个第一引出孔13a；两个第二铜管6b分别贯穿两个第二引出孔13b；左一半圆形豁槽的槽壁与真空导管1的外侧面左端后半部吻合固定，且左一半圆形豁槽位于第一法兰盘8a的右侧；右一半圆形豁槽的槽壁与真空导管1的外侧面右端后半部吻合固定，且右一半圆形豁槽位于第二法兰盘8b的左侧；左二半圆形豁槽的槽壁与真空导管1的外侧面左端前半部吻合固定，且左二半圆形豁槽位于第一法兰盘8a的右侧；右二半圆形豁槽的槽壁与真空导管1的外侧面右端前半部吻合固定，且右二半圆形豁槽位于第二法兰盘8b的左侧。

第一半圆形卡槽的槽壁与真空导管1的外侧面中段上半部之间、第二半圆形卡槽的槽壁与真空导管1的外侧面中段下半部之间均设有导热硅胶。

所述第一法兰盘8a、第二法兰盘8b均为1.33英寸法兰盘；所述第一准直小孔、第二准直小孔11b均为孔径为2mm的圆孔。

所述第一塑料隔热外壳12a、第二塑料隔热外壳12b均采用3D打印制成。

Claims (5)

1.一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，包括真空导管（1）、第一铜管（6a）、第二铜管（6b）、第一法兰盘（8a）、第二法兰盘（8b）；其特征在于：还包括第一方形导热铝块（2a）、第二方形导热铝块（2b）、第一TEC芯片（3a）、第二TEC芯片（3b）、第一方形水冷铝板（4a）、第二方形水冷铝板（4b）、第一塑料螺丝（5a）、第二塑料螺丝（5b）、第一快速接头（7a）、第二快速接头（7b）、第一圆形挡板、第二圆形挡板（9b）；

其中，第一方形导热铝块（2a）的下表面开设有左右贯通的第一半圆形卡槽，且第一半圆形卡槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面中段上半部吻合固定；第一方形导热铝块（2a）的上表面四角各开设有一个第一螺纹凹孔；第二方形导热铝块（2b）的上表面开设有左右贯通的第二半圆形卡槽，且第二半圆形卡槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面中段下半部吻合固定；第二方形导热铝块（2b）的下表面四角各开设有一个第二螺纹凹孔；第二方形导热铝块（2b）的后表面中央开设有测温凹孔（10）；第一TEC芯片（3a）贴装于第一方形导热铝块（2a）的上表面；第二TEC芯片（3b）贴装于第二方形导热铝块（2b）的下表面；第一方形水冷铝板（4a）的下表面与第一TEC芯片（3a）的上表面接触；第一方形水冷铝板（4a）的四角各开设有一个上下贯通的第一通孔；第二方形水冷铝板（4b）的上表面与第二TEC芯片（3b）的下表面接触；第二方形水冷铝板（4b）的四角各开设有一个上下贯通的第二通孔；

第一塑料螺丝（5a）的数目为四个；四个第一塑料螺丝（5a）一一对应地贯穿四个第一通孔，且四个第一塑料螺丝（5a）的尾端一一对应地旋拧于四个第一螺纹凹孔内；第二塑料螺丝（5b）的数目为四个；四个第二塑料螺丝（5b）一一对应地贯穿四个第二通孔，且四个第二塑料螺丝（5b）的尾端一一对应地旋拧于四个第二螺纹凹孔内；第一铜管（6a）的数目为两个；两个第一铜管（6a）的首端分别与第一方形水冷铝板（4a）的两个输水口连通；第二铜管（6b）的数目为两个；两个第二铜管（6b）的首端分别与第二方形水冷铝板（4b）的两个输水口连通；第一快速接头（7a）的数目为两个；两个第一快速接头（7a）分别安装于两个第一铜管（6a）的尾端；第二快速接头（7b）的数目为两个；两个第二快速接头（7b）分别安装于两个第二铜管（6b）的尾端；

第一法兰盘（8a）的内侧面设有螺纹，且第一法兰盘（8a）的右端面内边缘与真空导管（1）的左端面固定；第二法兰盘（8b）的内侧面设有螺纹，且第二法兰盘（8b）的左端面内边缘与真空导管（1）的右端面固定；第一圆形挡板的外侧面设有螺纹，且第一圆形挡板的外侧面与第一法兰盘（8a）的内侧面螺纹配合；第一圆形挡板的中央贯通开设有第一准直小孔；第二圆形挡板（9b）的外侧面设有螺纹，且第二圆形挡板（9b）的外侧面与第二法兰盘（8b）的内侧面螺纹配合；第二圆形挡板（9b）的中央贯通开设有第二准直小孔（11b）。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，其特征在于：还包括第一塑料隔热外壳（12a）、第二塑料隔热外壳（12b）；第一塑料隔热外壳（12a）的前端设有敞口；第一塑料隔热外壳（12a）的后壁上部分别贯通开设有两个第一引出孔（13a）；第一塑料隔热外壳（12a）的后壁下部分别贯通开设有两个第二引出孔（13b）；第一塑料隔热外壳（12a）的后壁中部分别贯通开设有第一穿线孔（14a）、第二穿线孔（14b）；第一塑料隔热外壳（12a）的左壁前边缘开设有左一半圆形豁槽；第一塑料隔热外壳（12a）的右壁前边缘开设有右一半圆形豁槽；第二塑料隔热外壳（12b）的后端设有敞口；第二塑料隔热外壳（12b）的左壁后边缘开设有左二半圆形豁槽；第二塑料隔热外壳（12b）的右壁后边缘开设有右二半圆形豁槽；第一塑料隔热外壳（12a）的前端敞口与第二塑料隔热外壳（12b）的后端敞口对接；两个第一铜管（6a）分别贯穿两个第一引出孔（13a）；两个第二铜管（6b）分别贯穿两个第二引出孔（13b）；左一半圆形豁槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面左端后半部吻合固定，且左一半圆形豁槽位于第一法兰盘（8a）的右侧；右一半圆形豁槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面右端后半部吻合固定，且右一半圆形豁槽位于第二法兰盘（8b）的左侧；左二半圆形豁槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面左端前半部吻合固定，且左二半圆形豁槽位于第一法兰盘（8a）的右侧；右二半圆形豁槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面右端前半部吻合固定，且右二半圆形豁槽位于第二法兰盘（8b）的左侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，其特征在于：第一半圆形卡槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面中段上半部之间、第二半圆形卡槽的槽壁与真空导管（1）的外侧面中段下半部之间均设有导热硅胶。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，其特征在于：所述第一法兰盘（8a）、第二法兰盘（8b）均为1.33英寸法兰盘；所述第一准直小孔、第二准直小孔（11b）均为孔径为2mm的圆孔。

5.根据权利要求2所述的一种适用于超高真空系统的可控温真空结构，其特征在于：所述第一塑料隔热外壳（12a）、第二塑料隔热外壳（12b）均采用3D打印制成。

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