CN110290628B - 一种用于超高真空环境下的原子发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超高真空环境下的原子发生装置，包括供气单元和加热单元，供气单元包括供气腔体，供气腔体上连通有导气管，加热单元包括设置于导气管的出气口处的加热丝，以使由导气管中出来的气体经过加热丝裂解成原子。在导气管的出气口处设置加热丝，仅对经过的气体进行加热，无需大面积对导气管等其他部件的加热，充分利用热能，大大提高了裂解能量利用效率，由于仅对进过的气体进行加热，因此也无需设置冷却装置，大大简化了原子发生装置的结构，降低了成本，同时也简化了操作。

Description

一种用于超高真空环境下的原子发生装置

技术领域

本发明涉及表面科学领域，具体涉及一种用于超高真空环境下的原子发生装置。

背景技术

表面谱学方法通常在超高真空(UHV)条件下进行，某些在实际反应条件(高温、高压)下易发生的气体分子的活化过程，但是在超高真空条件下可能很难发生，例如分子氢的活化过程。此时在超高真空条件下需要借助原子发生装置，将分子态的气体分子裂解为原子态，以便后续实验的进行。

现有的原子发生装置一般是采用加热的方式将分子态的气体裂解为原子态，如授权公告号为CN 105430864 B的发明授权专利公开了一种原子发生器，包括气体引入模块即供气单元，还包括加热模块和冷却模块，气体引入模块包括供气管，钨毛细管包括电源、钨毛细管和钨加热子，供气管与钨毛细管连接并连通，钨加热子用于对钨毛细管加热，气体分子通过与热的钨毛细管壁碰撞，裂解成原子，钨加热子的周边设置有钼隔热层，冷却模块包括套装于钼隔热层外的冷却套，冷却套上设置有与冷却水道，用于将多余的热量带出设备。但是上述原子发生装置需要大面积的加热，导致热能利用率低，而且需要设置冷却单元，导致生产成本高、结构复杂及操作步骤复杂的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超高真空环境下的原子发生装置，以解决现有技术中需要大面积加热及需要专门的冷却装置导致的结构复杂、成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明的一种用于超高真空环境下的原子发生装置采用如下技术方案：一种用于超高真空环境下的原子发生装置，包括供气单元和加热单元，供气单元包括供气腔体，供气腔体上连通有导气管，所述加热单元包括设置于导气管的出气口处的加热丝，以使由导气管中出来的气体经过加热丝进行裂解成原子。所述加热丝为螺线管结构，且螺线管的中心孔正对导气管的出气口；所述加热单元还包括用于向加热丝供电的电源，电源采用程控电源；所述加热单元还包括壳体，壳体具有供导气管穿装的导气管穿装通道，导气管外设置有正极导电杆和负极导电杆，正极导电杆与电源正极导电连接，加热丝的两接线端电性连接于正极导电杆和负极导电杆之间，正极导电杆外套设有绝缘管以使其与导气管绝缘隔离，负极导电杆与导气管接触，导气管与壳体导电连接，壳体与电源负极导电连接同时壳体接地，以形成加热丝的导电回路。

所述供气腔体上设置有导气单元，导气单元包括所述导气管和连接于供气腔体上的微泄漏阀门，导气管通过微泄漏阀门与供气腔体连通，微泄漏阀门采用流量可调式微泄漏阀门。

所述供气单元还包括与供气腔体连接的气瓶，气瓶与供气腔体之间连通管路上设置有减压阀，供气腔体上设置有用于将其内部抽成真空的真空泵站，真空泵站与供气腔体之间的抽气管路上设置有调节阀。

所述绝缘管和负极导电杆的外侧缠绕有铜丝以将正极导电杆和负极导电杆固定于导气管上。

所述壳体上设置有陶瓷封埋电极，陶瓷封埋电极的两端分别与电源正极和正极导电杆导电连接。

该原子发生装置还包括用于盛放样品的超高真空腔体，超高真空腔体上设置有供导气管插入的导气管插入口，以使导气管的出气口正对超高真空腔体中的样品。

所述超高真空腔体的腔体壁上还设置有供用于检测内部真空度的离子规安装的离子规连接口以及供用于检测加热丝温度的测温装置安装的温度检测装置连接口中的至少一个连接口。

本发明的有益效果：在导气管的出气口处设置加热丝，仅对经过的气体进行加热，无需大面积对导气管等其他部件的加热，充分利用热能，大大提高了裂解能量利用效率，由于仅对进过的气体进行加热，因此也无需设置冷却装置，大大简化了原子发生装置的结构，降低了成本，同时也简化了操作。

进一步地，通过微泄漏阀门的调节所需气体分压可以控制气体的原子生产量大小。

进一步地，电源采用程控电源，可以通过调节程控电源来控制裂解功率大小，实现对原子生成量的调控。

附图说明

图1是本发明的一种用于超高真空环境下的原子发生装置的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中供气单元的结构示意图；

图3是图1中导气单元的结构示意图；

图4是加热单元的结构示意图；

图5是超高真空腔体的结构示意图；

图6是加热丝的导电回路的等效电路图。

具体实施方式

本发明的一种用于超真空环境下的原子发生装置的实施例，如图1-图6所示，包括供气单元1、导气单元2、加热单元3和超高真空腔体4，超高真空腔体中设置有样品5。供气单元1，如图2所示，包括供气腔体11，供气腔体11连通有三个气瓶12，各气瓶12与供气腔体11之间连通管路上设置有减压阀13。供气腔体11上设置有用于将其内部抽成真空的真空泵站14，真空泵站14与供气腔体11之间的抽气管路15上设置有调节阀16。供气腔体11上设置有第一连接法兰18和第二连接法兰17，第一连接法兰18用于安装全量程真空计(10^-9到1000mBar)。

导气单元2，如图3所示，包括导气管23和微泄露阀门21，微泄露阀门21为流量可调式微泄漏阀门，微泄露阀门包括阀体，阀体上设置有调节旋钮22，阀体上还设置有与第二连接法兰17对应连接的第三连接法兰26，以将微泄漏阀门连接于供气腔体上。阀体上还设置有第四连接法兰25，导气管23穿过第四连接法兰25并通过真空密封胶24与微泄露阀门连接及连通。导气管23的另一端插进超高真空腔体4中且其出气口正对样品5。导气单元2位于供气单元1的上方。可以通过微泄漏阀门21来调节气体分压，以此来调控原子生成量大小。

加热单元，如图4所示，包括设置于导气管23的出气口处的加热丝34及向加热丝34供电的电源39，以使由导气管23中出来的气体经过加热丝进行裂解成原子。导气管水平贯穿加热单元。加热丝34为螺线管结构，且螺线管的中心孔正对导气管的出气口，使气体分子裂解成原子后吹向样品。螺线管结构的加热丝，可以增大气体分子与加热丝之间的接触面积。加热单元3包括壳体31，壳体31具有供导气管穿装的导气管穿装通道。导气管23外设置有正极导电杆35和负极导电杆36，正极导电杆35与电源正极导电连接，加热丝34的两接线端电性连接于正极导电杆35和负极导电杆36之间。加热丝34水平设置于导气管的出气口的5-10mm处，并通过正极导电杆和负极导电杆支撑。正极导电杆35外套设有绝缘管37以使其与导气管23绝缘隔离，绝缘管37采用陶瓷管，负极导电杆与导气管导电接触，导气管与壳体导电连接，壳体31与电源负极导电连接同时壳体接地，以形成加热丝的导电回路。

绝缘管37和负极导电杆36的外侧缠绕有铜丝38以将正极导电杆和负极导电杆固定于导气管23上。壳体31上设置有陶瓷封埋电极33，陶瓷封埋电极33的两端分别与电源正极和正极导电杆导电连接。壳体31为三通法兰结构，壳体31上于导气管穿装通道的两端分别设置有第五连接法兰312和第六连接法兰313，第五连接法兰312用于与第四连接法兰25连接，以固定加热单元。超高真空腔体4的腔体壁上设置有供导气管插入的导气管插入口，以使导气管的出气口正对超高真空腔体中的样品。超高真空腔体的腔体壁上于设置有第八连接法兰41，第八连接法兰41的通道与超高真空腔体连通以形成导气管插入口。第八连接法兰41与第六连接法兰313连接。壳体31还具有与导气管穿装通道垂直于的安装筒，安装筒的上端设置有第七连接法兰314，陶瓷封埋电极33通过真空法兰32与第七连接法兰314密封连接，以密封安装陶瓷封埋电极33。陶瓷封埋电极通过导线与正极导电杆导电连接，位于导气管穿装通道中的导线部分上套设有陶瓷套管311，以绝缘隔离导线310和导气管23以及绝缘隔离导线310与壳体31。导电回路的等效电路为图6所示。

超高真空腔体上还设置有第九连接法兰42和第十连接法兰43，第九连接法兰42的腔体与超高真空腔体连通，第十连接法兰的腔体也与超高真空腔体连通，其中第九连接法兰用于安装离子规以检测超高真空腔体内部的真空度，第九连接法兰的中心孔形成离子规连接口。第十连接法兰43用于安装测温装置，本实施例中测温装置采用红外测温装置，以实施检测加热丝的温度，第十连接法兰的中心孔形成温度检测装置连接口。电源为程控电源，可以根据调节程控电源的电压/电流来控制裂解功率的大小，从而调节原子生成量。加热丝采用钨丝。

本发明的原子发生装置在使用前，将原子发生装置各部件以及零配件进行组装，其中导气单元中的微泄漏阀门处于关闭状态，以此实现供气单元的真空隔壁。实验开始之前，打开抽气管道上的调节阀，由真空泵站对供气腔体进行抽真空，待供气腔体中真空高于2×10^-7mBar之后，关闭调节阀。打开减压阀，将所需气体从气瓶中引入到供气腔体中。设定时间后，本实施例中设定时间为5min，待气体与供气腔体的腔体壁上的残余气体交换完毕后，打开调节阀，由真空泵站将供气腔体中的混合气体抽出，如此反复循环3-5次，以消除供气腔体的腔体壁上的残余气体的影响。然后调节程控电源施加在加热丝上面的电压/电流，通过红外测温装置测量加热丝处的温度，待加热丝处的温度达到设定温度并稳定一段时间后，该段时间可根据实际情况进行调整，可以为5min，调节微泄漏阀门的调节旋钮，将所需气体由供气腔体通过导气管引入到超高真空腔体中，气体分体经过加热丝之后被裂解为原子态。由于在超高真空条件下，气体平均自由程比较大，并且样品与导气管的出气口距离比较近，裂解后的原子能够高效到达样品表面，提高裂解原子利用率。

本发明的原子发生装置具有裂解能量利用效率高、无需专门的冷却单元、装置结构简单、操作简易、可通过两种方式调控生成原子量的大小的特点。本发明的用于超高真空环境下的简易原子发生装置不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式的技术方案均落在本发明要求保护的范围之内。

在本发明的其他实施例中，加热丝的导电回路也可以由两根导电直接与电源的正极和负极导电连接；陶瓷管也可由绝缘的橡胶管代替；气瓶的数量可根据实际需要进行调整；加热丝的导电回路中，其中电源的负极可以直接用过导线与负极导电杆导线连接，此时负极导电杆与导气管之间也绝缘设置；铜丝也可以由扎丝代替；超高真空腔体的腔体壁上也可以只设置离子规；超高真空腔体的腔体壁上也可以只设置测温装置。

Claims (7)

1.一种用于超高真空环境下的原子发生装置，包括供气单元和加热单元，供气单元包括供气腔体，供气腔体上连通有导气管，其特征在于：所述加热单元包括设置于导气管的出气口处的加热丝，以使由导气管中出来的气体经过加热丝进行裂解成原子；所述加热丝为螺线管结构，且螺线管的中心孔正对导气管的出气口；所述加热单元还包括用于向加热丝供电的电源，电源采用程控电源；所述加热单元还包括壳体，壳体具有供导气管穿装的导气管穿装通道，导气管外设置有正极导电杆和负极导电杆，正极导电杆与电源正极导电连接，加热丝的两接线端电性连接于正极导电杆和负极导电杆之间，正极导电杆外套设有绝缘管以使其与导气管绝缘隔离，负极导电杆与导气管接触，导气管与壳体导电连接，壳体与电源负极导电连接同时壳体接地，以形成加热丝的导电回路。

2.根据权利要求1所述的原子发生装置，其特征在于：所述供气腔体上设置有导气单元，导气单元包括所述导气管和连接于供气腔体上的微泄漏阀门，导气管通过微泄漏阀门与供气腔体连通，微泄漏阀门采用流量可调式微泄漏阀门。

3.根据权利要求1所述的原子发生装置，其特征在于：所述供气单元还包括与供气腔体连接的气瓶，气瓶与供气腔体之间连通管路上设置有减压阀，供气腔体上设置有用于将其内部抽成真空的真空泵站，真空泵站与供气腔体之间的抽气管路上设置有调节阀。

4.根据权利要求1所述的原子发生装置，其特征在于：所述绝缘管和负极导电杆的外侧缠绕有铜丝以将正极导电杆和负极导电杆固定于导气管上。

5.根据权利要求1所述的原子发生装置，其特征在于：所述壳体上设置有陶瓷封埋电极，陶瓷封埋电极的两端分别与电源正极和正极导电杆导电连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的原子发生装置，其特征在于：该原子发生装置还包括用于盛放样品的超高真空腔体，超高真空腔体上设置有供导气管插入的导气管插入口，以使导气管的出气口正对超高真空腔体中的样品。

7.根据权利要求6所述的原子发生装置，其特征在于：所述超高真空腔体的腔体壁上还设置有供用于检测内部真空度的离子规安装的离子规连接口以及供用于检测加热丝温度的测温装置安装的温度检测装置连接口中的至少一个连接口。

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