CN110699673A - 一种超高真空内气体电离装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高真空内气体电离装置，将气体传输到超高真空腔体内并用热电离的方式将气体分子电离。该装置由气体导管、电加热丝、绝缘片、螺杆、电源线、四通腔体、直线导入器组成。电加热丝固定在绝缘片上，绝缘片固定在螺杆上，螺杆与直线导入器相连接。通过直线导入器，可以使电加热丝沿螺杆方向自由移动，进而控制加热丝与目标样品的距离。电源线一端连接电加热丝，一端连接在法兰的电极接线柱上，外接直流源通过电极接线柱为加热丝供电。使用装置时，通过直线导入器移动电加热丝至气体导管口附近，接通电源加热电加热丝，电加热丝达到使用温度后，通过气体导管导入气体，气体分子被高温电加热丝热电离成原子或离子。

Description

一种超高真空内气体电离装置

技术领域

本发明设计一种超高真空内气体电离装置，用于向各种超高真空系统内引入气体分子，并将分子电离为原子或者离子，进而引入到目标样品表面。

技术背景

气体电离有多种方式，比如：碰撞电离、光电离、热电离以及电极表面发射，其中较为常用的是热电离方式。当气体分子处于热辐射高温环境中时，气体分子中电子能获得能量。获得能量的电子有几率逃逸分子，成为自由电子。此时气体电子从中性分子变为离子或原子。

在超高真空系统中制备特殊样品时，有时需要引入各种原子或离子到样品表面。目前最常用的引入方式是使用蒸发源，包括分子蒸发源和金属蒸发源。蒸发源通过加热的方式使其内部承载的固体单质以原子或离子形式升华到目标样品表面。但是，这种方式只适用于升华部分原子。对于没有对应固体单质的元素，比如，氢原子，氯原子，溴原子等，不能通过蒸发源的方式引入原子或离子到目标样品表面。因此，在一定程度上限制了超高真空内制备样品的多样性。

因此，我们设计了一种超高真空内气体电离装置，通过装置前端灯丝加电流后的热辐射，使引入到真空腔室内部的气体，比如：氢气，氯化氢，溴化氢，碘化氢等，被热电离为相应的原子或者离子，便于将不能用蒸发源升华的原子或离子沉积到样品表面。

发明内容

本发明提供一种超高真空内气体电离装置，主要通过以下技术方案来解决：

一种超高真空内气体电离装置，该装置由气体导管(1)、电加热丝(2)、绝缘片(3)、螺杆(4)、电源线(6)、四通腔体(8)、直线导入器(11)组成。

四通腔体(8)上有四个法兰，分别连接电源法兰、封闭腔体，气体源和直线导入器(11)。

气体导管(1)在末端与螺杆(4)平行，电加热丝(2)固定在绝缘片(3)上，绝缘片(3)固定在螺杆(4)上，螺杆(4)与直线导入器(11)相连接，使电加热丝(2)随绝缘片(3)获得沿螺杆(4)方向—即气体导管(1)末端方向—的移动自由度。

电源线(6)一端连接电加热丝(2)，一端连接在电源法兰上，给电加热丝(2)提供电源。

使用时移动电加热丝(2)至气体导管(1)口附近，接通电源加热电加热丝(2)，电加热丝(2)达到使用温度后，通过气体导管(1)导入气体，气体分子被高温电加热丝(2)热电离。

气体导管(1)材质为任何金属或PVC等可加工高强度材料；

螺杆(4)材质为任何适用于超高真空的金属材料；

电源线(6)材质为任何适用于超高真空的金属材料；

电加热丝(2)材质为任何适用于超高真空的金属材料：

绝缘片(3)材质为任何适用于超高真空的绝缘材料；

装置工作根据材质不同，可在多种环境中工作。

装置各配件的设计思路，保证了装置组装过程步骤清晰，没有难以完成操作，同时装备整体可以拆卸，方便修理。

该装置的使用方法为：利用直线导入器(11)将电加热丝(2)移动至气体导管(1)口；距离气体导管不远处是目标样品；接通电源(16)，加热电加热丝(2)；电加热丝(2)加至足够温度后，通过气体导管(1)导入气体；高温电加热丝(2)将气体电离；热电离产生的原子或者离子沉积到目标样品上；使用结束后关闭气体源，关闭电源(16)使电加热丝(2)降温，将电加热丝(2)退回原位，整个气体电离过程完成。

本发明的有益效果是：a.气体导管(1)深入封闭环境中，其导管口距离反应位置比较近，这种情况下气体束流利用率更高。b.电加热丝(2)有一定移动自由度，不使用的时候将电加热丝(2)收回，能够保护电加热丝(2)。使用的时候将电加热丝(2)移动到气体导管(1)口，使气体电离效率高。c.装置中配件的材质可以根据工作环境更换，可在多种环境中使用，包括超高真空环境；d.装置结构原理简单，器件无焊接可替换，易于修理；e.装置成本较低。

附图说明

图1.超高真空内气体电离装置剖面图；

图2.超高真空内气体电离装置工作组装示意图；

图3.超高真空内气体电离装置工作状态前端示意图；

图4.溴原子在Ag(111)单晶表面吸附的扫描隧道显微镜图片

图中：1-气体导管(1)；2-电加热丝(2)；3-绝缘片(3)；4-螺杆(4)；5-一号法兰(5)；6-电源线(6)；7-二号法兰(7)；8-四通腔体(8)；9-三号法兰(9)；10-四号法兰(10)；11-直线导入器(11)；12-超高真空内气体电离装置；13-漏阀；14-减压阀；15-气瓶；16-电源。

具体实施方法

以下结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。

本实施方法中，考虑到要在超高真空中使用该气体电离装置，因此要求装置的材质放气率低；没有对装置进行额外支撑，要求装置的材质强度高；装置前端在工作时，周围的温度很高，要求装置前半部分材质可以承受高温。因此选择气体导管(1)，螺杆(4)和四通腔体(8)材质为304不锈钢；电加热丝(2)材质选择钨丝；绝缘片(3)材质为可加工陶瓷；电源线(6)材质选择铜线。

如图1所示，将装置组装。

螺杆(4)连接在直线导入器(11)上，作为移动矢量的传输途径。

陶瓷片固定在螺杆(4)末端。

将电加热丝(2)固定在绝缘片(3)上，并连接电源线(6)。

电源线(6)通过四通腔体(8)的一号法兰(5)连接在一个电源法兰上，通过电源法兰连通电源(16)。

气体导管(1)一端连接在三号法兰(9)上，连接外部气体源，另一端与螺杆(4)平行。外部气体源通过漏阀(13)与气瓶(15)连接，同时使用减压阀(13)减少气压。

安装完成后，装置如图2所示。

将装置安装在真空环境使用的腔体中。

使用时，先利用直线导入器(11)将电加热丝(2)移动至气体导管(1)口，如图3所示；接通电源(16)，加热电加热丝(2)；电加热丝(2)加至足够温度后，通过气体导管(1)导入气体；高温电加热丝(2)将气体电离；使用结束后关闭漏阀(13)，关闭电源(16)使电加热丝(2)降温，将电加热丝(2)退回原味，整个处理步骤完成整个处理过程。

在某一个实施例中，气瓶(15)中承载的是溴化氢气体，气体导管(1)前端不远处为Ag(111)单晶样品，利用电源(16)给电加热丝(2)通入1.45A电流，通电流时间为30分钟。

利用扫描隧道显微镜表征上述Ag(111)单晶样品(图4)，发现样品表面存在单个的溴原子。实验证明，利用该气体电离装置可以电离溴化氢分子，从而产生溴原子。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本实用的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高真空内气体电离装置，其特征在于：该装置由气体导管(1)、电加热丝(2)、绝缘片(3)、螺杆(4)、电源线(6)、四通腔体(8)、直线导入器(11)组成。四通腔体(8)上有四个法兰，分别连接电源法兰、封闭腔体，气体源和直线导入器(11)。气体导管(1)在末端与螺杆(4)平行。

电加热丝(2)固定在绝缘片(3)上，绝缘片(3)固定在螺杆(4)上，螺杆(4)与直线导入器(11)相连接，使电加热丝(2)随绝缘片(3)获得沿螺杆(4)方向—即气体导管(1)末端方向—的移动自由度。电源线(6)一端连接电加热丝(2)，一端连接在电源法兰(5)上，给电加热丝(2)提供电源。使用时移动电加热丝(2)至气体导管(1)口附近，接通电源加热电加热丝(2)，电加热丝(2)达到使用温度后，通过气体导管(1)导入气体，气体分子被高温电加热丝(2)热电离成原子或者离子。

2.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：装置工作时，电加热丝(2)处于气体导管(1)口附近。

3.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：电加热丝(2)有沿气体导管(1)末端方向的移动自由度。

4.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：所述的绝缘片(3)用于固定电加热丝(2)，同时避免电加热丝(2)短路。

5.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：所述的气体导管(1)材质为任何金属或PVC等可加工高强度材料。

6.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：所述的螺杆(4)材质为任何适用于超高真空的金属材料。

7.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：所述的电加热丝(2)和电源线(6)材质为任何适用于超高真空的金属材料。

8.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：所述的绝缘片(3)材质为任何适用于超高真空的绝缘材料。

9.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：利用法兰将气体导管(1)与气体源连接，将气体导入封闭的工作环境中。

10.根据权利要求1所述的超高真空内气体电离装置，其特征在于：利用电加热丝(2)加热气体，使气体在高温环境中被电离为原子或离子。

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