CN109763082B - 一种适用于量子芯片的小型快速升降温退火装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置及其应用，涉及电极材料处理装置领域，包括真空室，所述真空室外依次套接有散热装置、加热套，所述散热装置包括安装套，所述安装套外均布设置有若干散热片，所述散热片远离安装套的一端与所述加热套接触设置，两个所述相邻的散热片之间设置有散热孔道。该装置可利用同一装置实现快速升温和降温的过程，该装置结构简单、体积小，可满足高温和低温的使用需求且能耗低。

Description

一种适用于量子芯片的小型快速升降温退火装置

技术领域

本发明涉及电极材料处理装置领域，具体为一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置。

背景技术

在离子阱量子计算机中，需要使用金电极实现超高真空中囚禁离子的抓捕与控制。囚禁离子电极利用金属的高导电性，通常采用金为导电层。因对于电极表面的处理会直接影响电极表面的粗糙度，进而导致加载电压时表面电场分布发生不均匀改变，从而影响囚禁离子的时间与稳定性。故在电极表面镀金之后，为提高金表面质量，降低表面粗糙度，需要进一步对金进行快速升温退火处理，处理时要求升降温速率不小于1-3°C/s。

现有技术中，利用同一装置既能实现快速升温又能实现快速降温非常困难，通常易于实现快速升温的系统很难快速降温，容易降温的系统升温比较困难。通常系统升降温可以采用以下几种方式：其一、利用半导体散热片实现升降温，但半导体散热片只能用于常温附近范围，对于高温应用场景，这种方法并不可行；其二、利用打开炉体，实现大面积快速散热，但该方法需要在高温过程中打开炉体，虽然可以实现快速降温，但不能控制降温速度，打开炉体的过程用户危险性也很高；其三、利用水冷实现快速冷却，但该方法由于使用装置复杂，且水的比热相对较大，不利于系统快速升温，因此也不易同时实现系统快速升降温；其四、利用大功率加热元件，使得系统可以快速升温，该方式需耗费大量能量，但系统由于大功率加热元件置于待处理工件周围，可能具有一定保温功能，使得系统散热减慢，也会影响待处理工件快速降温的速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，可利用同一装置实现快速升温和降温的过程，该装置结构简单、体积小，可满足高温和低温的使用需求且能耗低。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，包括真空室，所述真空室外依次套接有散热装置、加热套，所述散热装置包括安装套，所述安装套外均匀分布设置有若干散热片，所述散热片远离安装套的一端与所述加热套接触设置，两个所述相邻的散热片之间设置有散热孔道。

进一步的，还包括风冷装置，所述风冷装置包括风机、两个风门驱动装置和两个风门，所述风门上设置有若干与所述散热孔道相对应的挡片，所述风门套设在所述真空室外，两个所述风门分别设置于散热装置的两端，所述风机设置于一个所述风门远离散热装置的一端，所述风门驱动装置用于驱动所述风门转动；

还包括控制器和测温传感器，所述测温传感器设置于所述真空室内，所述控制器分别与所述测温传感器、风门驱动装置和风机电联。

进一步的，可将风冷装置替换为液冷装置，所述液冷装置包括散热片上的散热孔道（其可以作为冷却介质流经的孔道，或将流经冷却介质的冷却管道从散热孔穿过），且两端分别连接电磁阀控制通道开启与关闭，再通过连接管道与制冷机连接，形成闭循环冷却回路。

还包括控制器和测温传感器，所述测温传感器设置于所述真空室内，所述控制器分别与所述测温传感器、和电磁阀电联。

进一步的，所述真空室内设置有载物装置，所述载物装置包括载物板，所述载物板的顶面和底面通过螺栓分别固定连接有金属板和工件压板，所述载物板的顶面上固定设置有若干空心柱，所述空心柱远离载物板的一端可转动的设置有调节螺母，所述空心柱内可滑动的设置有螺杆，所述螺杆与所述调节螺母通过螺纹连接。

进一步的，所述加热套外套接有保温套。

进一步的，所述真空室的一端设置有流量控制阀，其另一端连接有密封角阀,所述密封角阀的另一端连接有抽真空泵。

进一步的，所述密封角阀和真空室之间连通设置有三通，所述三通的另一端连接有电气串通引线电极。

进一步的，所述真空室选用薄壁、耐高温、低热容、高热导率的材质制成。

本发明的有益效果是：

该装置通过加热套覆盖保温套的形式实现对真空室的快速升温，通过在散热孔道内流通冷却介质（风冷或液冷等）的形式实现对真空室的主动冷却，使得同一系统内同时实现快速升温与快速降温的需求。该装置的系统快速升温速率不低于传统快速退火炉，且降温速度较其他退火炉的被动冷却方式具有更快的降温散热速度，其升降温速度的提高可以提高升降温曲线中最大斜率部分（甚至可以实现不小于2-4°C/s的升降温速度），使系统可以绘制实现更窄的温度脉冲曲线。

设置测温传感器、控制器和可控制流体流速的装置（如挡片、电磁阀），并使控制器可控制加热套的加热温度以及风机或泵的功率，通过多参数控制实现了升降温速度的在线自动控制，使系统升降温速度控制更加精准。通过该设置，可以同时控制并实施升温加热和降温冷却两个过程，得到更加精确的受控升降温温度曲线。亦可实现按照设计的曲线对工件进行精确的升温和降温处理。

较其他一般被动风冷方式，该装置增加了风扇、冷却介质等主动冷却方式。提高了系统降温过程中的降温速度，使得冷却过程不完全受自然冷却过程限制，即使在室温附近，也可以有很好的线性降温特性。通过采用冷却介质和主动冷却，系统降温的极限低温可以低于室温。可以控制冷却介质的流速、流量，实现高温时的快速降温，同时避免直接打开炉体时，由于受热面积和温差过大导致的周边温度环境污染和真空室炸裂等情况。

附图说明

图1为本发明一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置的结构示意图；

图2为本发明一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置的分解结构示意图；

图3为散热装置的结构示意图；

图4为载物装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，包括真空室1，真空室1的一端设置有气体流量控制阀a，其另一端连接有三通7。三通7的顶部连接有密封角阀8，三通7的另一端连接有电气串通引线电极。该电气串通引线电极包括法兰盘和传输导线，法兰盘用于是三通7的端部密闭，传输导线可以把电信号从密闭的真空室1内传输到三通7外。密封角阀8的另一端连接有抽真空泵。当流量控制阀关闭密封角阀8打开时，真空室1内可在抽真空泵的作用下形成真空工作环境；当流量控制阀开启，在其端部利用充气装置充入保护气，可在真空室1中形成保护气环境。通过控制流量控制阀的开启程度和密封角阀的开启程度，可以控制真空室1中的压强大小。如真空室内所需保护气压强较高，为保护抽真空泵不受高压冲击损坏，可在三通7和密封角阀之间增加一个流量控制阀，以保证真空室1中排出的气体流量不超过抽真空泵的使用要求。另外，在实施时，可在真空室1附近增加安装一个压力计，可通过上述两个流量控制阀和密封角阀8的开闭动作搭配以及真空泵的作用使真空室1内形成带有压力的工作环境。关闭抽真空泵或关闭密封角阀8，开启流量控制阀可对真空室1进行破真空动作，其后断开流量控制阀阀与真空室1之间的法兰连接，从该处放入或取出样品。

如图2、图3所示，在真空室1外依次套接有散热装置2和加热套3。散热装置2包括安装套21，安装套21外均布设置有若干散热片22，散热片22远离安装套21的一端与加热套3接触设置，两个相邻的散热片22之间设置有散热孔道23。

当工件需要快速升温时，加热套3开始加热，通过散热片22和安装套21将热量传导至真空室1上，使真空室1升温至高温环境，通过热传导带动真空室1内的工件快速升温。优选的，该真空室1选用薄壁、耐高温、低热容、高热导率材料制作，如薄壁不锈钢、石英管等，可于接触部位添加高温导热硅脂提高热传导能力。本装置根据选取材料不同可以应用于0-1000°C，真空度可以优于1e-5Pa。加热套3用于对真空室1进行加热，该加热套3属于加热装置的一部分，可以选用加热带、电热丝等，根据真空室1的容器特点进行选择。加热套3外套接有保温套4，使加热过程中，系统与外界隔热。

当工件需要快速降温时，加热套3停止加热，此时利用冷却介质流过散热孔道23实现快速散热。散热片22被包夹于真空室1和加热套3之间并紧密接触，通过热传导形式进行散热，散热片22的大小与散热效率成正相关，可通过增大散热面积使热量快速散失。散热孔道23的方向与冷却介质流经方向一致，介质可以低阻抗方式流过散热孔道23，增加降温速度。具体实施时，快速散热分为风冷和液冷两种形式。

风冷形式下，该适用于量子芯片的快速升降温退火装置包括风冷装置，风冷装置包括风机、两个风门驱动装置和两个风门6。风门6上设置有若干与散热孔道23相对应的挡片，风门6套设在真空室1外，两个风门6分别设置于散热装置2的两端，风机设置于一个风门6远离散热装置2的一端，风门驱动装置用于驱动风门6转动。当需要降温时，真空室1两端的风门驱动装置带动风门6转动，使得其上的挡片与散热孔道23位置错开，风机可将冷却用风吹入散热孔道23内实现散热装置2的快速降温。该装置还设置有控制器和测温传感器，测温传感器设置于真空室1内，控制器分别与测温传感器、风门驱动装置和风机电联。测温传感器可以实时检测真空室1内的温度，并将温度测量值反馈至控制器，由控制器控制风门驱动装置带动风门6的转动角度，可以自动调节散热孔道23的开启大小；由控制器控制风机可以自动调节风机的送风量。

液冷形式下，该适用于量子芯片的快速升降温退火装置包括液冷装置。该液冷装置包括两个电磁阀，散热装置的两端分别通过管路与两个电磁阀连接；还包括控制器和测温传感器，测温传感器设置于真空室1内，控制器分别与测温传感器、和电磁阀电联。该冷却介质选用水、液氮等，实施时，测温传感器可以实时检测真空室1内的温度，并将测温值反馈至控制器，控制器控制两个电磁阀的开闭实现介质的通断，该电磁阀选用比例电磁阀可进一步控制冷却介质的流量。该形式下，整个装置倾斜设置，散热通道内的冷却介质可在自重作用下排空。在升温过程中，因排空了不利于提高升温速度的冷却介质（或再向其中填充了利于导热的低热容介质），降低了系统热容，可使得系统能量利用率更高、升温速度更快，更加节能环保。

在具体实施时，加热套3所属的加热装置的加热功率可变，控制器与该加热装置电联。使用时，可以根据需要，设置系统升降温曲线，通过上述控制方式实现降温速度的自动控制，同时亦可在控制器的控制下实现升温速度的自动控制，使系统升降温按该曲线的要求进行变化，使工件处于特定要求的温度环境中。

进一步的，真空室1内设置有载物装置。如图4所示，载物装置包括载物板51，载物板51的顶面和底面通过螺栓分别固定连接有金属板52和工件压板53。使用时，工件放置于金属板52的顶面上，并被工作压板53夹紧固定，工作压板53同时保证了工件不会变形。该金属板52选用薄板，由于金属导热快、厚度薄，可以降低热迟滞效应，保证工件附近温度场分布均匀和升温速度。载物板51的顶面上固定设置有若干空心柱54，空心柱54远离载物板51的一端可转动的设置有调节螺母55，空心柱54内壳滑动的设置有螺杆56，螺杆56与调节螺母55通过螺纹连接。当转动调节螺母55时，在其螺纹副的作用下，螺杆56在空心柱54内上下滑动。当载物装置放入真空室1内，通过转动调节螺母使螺杆56从空心柱54内伸出，直至顶住真空室1的内壁，实现载物装置的固定，同时在该过程中，金属板52与真空室1内壁尽可能靠近，增加了工件的热交换速度。在载物装置金属板上设置测温传感器，并通过导线连接至电气串通引线电极，可以更加精确的测定待加热样品真实温度。如测温传感器置于真空室1外部，系统也可正常运行，但温度测量值与样品附近真实值稍有偏离。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，包括真空室（1），所述真空室（1）外依次套接有散热装置（2）、加热套（3），所述散热装置（2）包括安装套（21），所述安装套（21）外均布设置有若干散热片（22），所述散热片（22）远离安装套（21）的一端与所述加热套（3）接触设置，两个相邻的散热片（22）之间设置有散热孔道（23）；

还包括风冷装置，所述风冷装置包括风机、两个风门驱动装置和两个风门（6），所述风门（6）上设置有若干与所述散热孔道（23）相对应的挡片，所述风门（6）套设在所述真空室（1）外，两个所述风门（6）分别设置于散热装置（2）的两端，所述风机设置于一个所述风门（6）远离散热装置（2）的一端，所述风门驱动装置用于驱动所述风门（6）转动；

还包括控制器和测温传感器，所述测温传感器设置于所述真空室（1）内，所述控制器分别与所述测温传感器、风门驱动装置和风机电联。

2.根据权利要求1所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述真空室（1）内设置有载物装置，所述载物装置包括载物板（51），所述载物板（51）的顶面和底面通过螺栓分别固定连接有金属板（52）和工件压板（53），所述载物板（51）的顶面上固定设置有若干空心柱（54），所述空心柱（54）远离载物板（51）的一端可转动的设置有调节螺母（55），所述空心柱（54）内可滑动的设置有螺杆（56），所述螺杆（56）与所述调节螺母（55）通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述加热套（3）外套接有保温套（4）。

4.根据权利要求1所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述真空室（1）的一端设置有流量控制阀，其另一端连接有密封角阀（8）,所述密封角阀（8）的另一端连接有抽真空泵。

5.根据权利要求4所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述密封角阀（8）和真空室（1）之间连通设置有三通（7），所述三通（7）的另一端连接有电气串通引线电极。

6.根据权利要求1所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述真空室1选用薄壁、耐高温、低热容、高热导率的材质制成。

7.一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，包括真空室（1），所述真空室（1）外依次套接有散热装置（2）、加热套（3），所述散热装置（2）包括安装套（21），所述安装套（21）外均布设置有若干散热片（22），所述散热片（22）远离安装套（21）的一端与所述加热套（3）接触设置，两个相邻的散热片（22）之间设置有散热孔道（23）；

还包括液冷装置，所述液冷装置包括两个电磁阀，所述散热装置的两端分别通过管路与两个所述电磁阀连接；

还包括控制器和测温传感器，所述测温传感器设置于所述真空室（1）内，所述控制器分别与所述测温传感器、和电磁阀电联。

8.根据权利要求7所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述真空室（1）内设置有载物装置，所述载物装置包括载物板（51），所述载物板（51）的顶面和底面通过螺栓分别固定连接有金属板（52）和工件压板（53），所述载物板（51）的顶面上固定设置有若干空心柱（54），所述空心柱（54）远离载物板（51）的一端可转动的设置有调节螺母（55），所述空心柱（54）内可滑动的设置有螺杆（56），所述螺杆（56）与所述调节螺母（55）通过螺纹连接。

9.根据权利要求7所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述加热套（3）外套接有保温套（4）。

10.根据权利要求7所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述真空室（1）的一端设置有流量控制阀，其另一端连接有密封角阀（8）,所述密封角阀（8）的另一端连接有抽真空泵。

11.根据权利要求10所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述密封角阀（8）和真空室（1）之间连通设置有三通（7），所述三通（7）的另一端连接有电气串通引线电极。

12.根据权利要求7所述的一种适用于量子芯片的快速升降温退火装置，其特征在于，所述真空室1选用薄壁、耐高温、低热容、高热导率的材质制成。

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