CN111380885A - 一种基于gm制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，包括制冷机、样品架头部，其特征在于：还包括转接件、旋转机、软轴、上段传动杆、下段传动杆、齿轮组、蜗轮蜗杆组和样品台；所述样品台用于放置样品并带动样品运动；所述转接件上设置有对外接口；所述旋转机连接所述软轴；所述软轴通过所述对外接口穿所述转接件而过；所述软轴连接所述上段传动杆；所述上段传动杆连接所述下段传动杆；所述下段传动杆连接所述齿轮组；所述齿轮组连接所述蜗轮蜗杆组；所述蜗轮蜗杆组连接所述样品台。本发明的有益效果是：该设计结构紧凑,样品台可在极低温条件下实现俯仰转动，且在超大温度区间内俯仰角的运动顺畅，避免了热胀冷缩引起的旋转卡顿问题。

Description

一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架

技术领域

本发明涉及超高真空和超低温领域，特别涉及一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架。

背景技术

角分辨光电子能谱仪系统简称ARPES，利用光电效应研究固体的电子结构。低温样品架作为样品的测量平台，是ARPES系统的重要组成模块，为样品提供了超低温、多个自由度、无磁性的测量环境。基于GM制冷机的低温样品架具有天然的优势，不需要消耗液氦，运行成本低；可实现全马达多自由度运动，操作便捷；可快速变温且长时间稳定运行，是ARPES实验人员的理想选择。

但是，基于GM制冷机的低温样品架设计难点主要有以下四个方面；1.实现样品台达到液氦温区的设计(温度小于4K)；2.在满足超高真空无磁的前提下，样品台实现真空外马达驱动的俯仰转动；4.能够实现样品架在在超大温区内样品位置不随温度变化。

故市场亟需一种基于GM制冷机的带俯仰转动低温样品架，可以兼容超高真空环境且能提供低温至液氦温区，在超大温区变化范围内俯仰转动顺畅。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种基于GM制冷机的俯仰转动低温样品架，本发明的技术方案是这样实施的：

一种基于GM制冷机的俯仰转动低温样品架，包括制冷机、样品架头部，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头，所述二级冷头连接所述一级冷头，其特征在于：还包括转接件、旋转机、软轴、上段传动杆、下段传动杆、齿轮组、蜗轮蜗杆组和样品台；所述样品台用于放置样品；所述转接件上设置有对外接口；所述旋转机连接所述软轴；所述软轴通过所述对外接口穿所述转接件而过；所述软轴连接所述上段传动杆；所述上段传动杆连接所述下段传动杆；所述下段传动杆连接所述齿轮组；所述齿轮组连接所述蜗轮蜗杆组；所述蜗轮蜗杆组连接所述样品台。

优选地，还包括导热延长杆；所述导热延长杆的一端设置在所述二级冷头上，另一端连接所述样品台。

优选地，所述导热延长杆与所述样品台之间通过辫子连接；所述辫子的材料选自包括铜、金或者银的一种或者多种。

优选地，所述上段传动杆与下段传动杆之间通过联轴器连接。

优选地，还包括套筒；所述套筒连接所述一级冷头；所述套筒包裹所述二级冷头。

优选地，还包括卡箍支撑；所述卡箍支撑设置在所述上段传动杆上；所述卡箍支撑套接在所述套筒上。

优选地，还包括支撑板；所述支撑板通过轴承座固定在所述下段传动轴上；所述样品台包括三角支撑、屏蔽罩、屏蔽罩门、屏蔽挡板和样品托；所述屏蔽罩门上设置有测量孔；所述屏蔽罩门安装在所述屏蔽罩上，所述屏蔽挡板安装在所述屏蔽罩上；所述屏蔽挡板安装在所述屏蔽罩上；所述样品托与所述三角支撑设置在所述屏蔽罩内部；所述样品托连接所述三脚支撑。

优选地，所述样品台上设置有金柱。

优选地，所述样品台设置有附件接口。

实施本发明的技术方案可解决现有技术中无法在基于GM制冷机上实现在样品托极低温的前提下可实现多自由度旋转并且各个自由度之间运动相互独立，不受干扰并且在超大温区变化范围内俯仰角的运动顺畅的技术问题；实施本发明的技术方案，可实现基于GM制冷机的可以在样品托极低温的前提下可实现多自由度旋转并且各个自由度之间运动相互独立，不受干扰并且在超大温区变化范围内俯仰角的运动顺畅的技术效果。

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一种实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于GM制冷机的俯仰转动低温样品架的整体结构图；

图2为一种基于GM制冷机的俯仰转动低温样品架的传动结构示意图；

图3为一种基于GM制冷机的俯仰转动低温样品架的样品台结构示意图；

图4为一种基于GM制冷机的俯仰转动低温样品架的样品架头部示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-制冷机；2-转接件；3-样品台；4-旋转机；5-软轴；6-上段传动杆；7-下段传动杆；8-齿轮组；9-蜗轮蜗杆组；10-联轴器；11-卡箍支撑；12-样品托；13-屏蔽罩；14-屏蔽罩门；15-屏蔽挡板；16-金柱。

具体实施方式

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作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。

为了便于描述，Z为地心引力的反方向，X与Y方向为以Z轴为标准建立的空间直角坐标系的X、Y方向，R1为冷头与水平面的夹角。

在一种具体的实施例中，如图1至图4所示，一种基于GM制冷机(1)的俯仰转动低温样品架，包括制冷机(1)、样品架头部，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头，所述二级冷头连接所述一级冷头，其特征在于：还包括转接件(2)、旋转机(4)、软轴(5)、上段传动杆(6)、下段传动杆(7)、齿轮组(8)、蜗轮蜗杆组(9)和样品台(3)；所述样品台(3)用于放置样品；所述转接件(2)上设置有对外接口；所述旋转机(4)连接所述软轴(5)；所述软轴(5)通过所述对外接口穿所述转接件(2)而过；所述软轴(5)连接所述上段传动杆(6)；所述上段传动杆(6)连接所述下段传动杆(7)；所述下段传动杆(7)连接所述齿轮组(8)；所述齿轮组(8)连接所述蜗轮蜗杆组(9)；所述蜗轮蜗杆组(9)连接所述样品台(3)。

在该种具体的实施例中，以空间直角坐标系，转接件(2)一方面用于隔离真空环境与常规环境，另一方面用于提供给外部的信号与机器以运动传导接口；旋转机(4)用于提供运动动力；软轴(5)用于连接旋转机(4)与上段传动杆(6)并改变运动的方向，将运动的方向改变为适用于上段传动杆(6)的方向，从而避免了常规环境中与真空环境之间传动轴角度偏差以及不同心的问题，一般采用不锈钢作为材料；外部运动由旋转机(4)产生，运动由软轴(5)从常规环境传输进真空环境之中，再带动上段传动杆(6)运动，上段传动杆(6)带动下段传动杆(7)运动，再通过齿轮组(8)将转动幅度转化为适用于样品台(3)运动的范围内，最后齿轮组(8)带动蜗轮蜗杆组(9)运动使样品台(3)产生仰俯角上的运动，X、Y、Z和R1方向则通过外接的移动平台或者样品架的摆放来实现；传动杆一般使用钼或者钛作为材料，具有良好的韧性且在热胀冷缩过程中形变量较小；齿轮组(8)为直齿齿轮组(8)，驱动齿轮在轴向方向有一定的活动余量，能够使样品架在4K-350K的变温环境中，俯仰角传动模块不受热胀冷缩的影响，同时也不会影响到X、Y、Z和R1方向上的运动，从而相互独立；通过上述模块之间的交互，实现了基于GM制冷机(1)的可以在样品托(12)极低温的前提下可实现多自由度旋转并且各个自由度之间运动相互独立，不受干扰并且在超大温区变化范围内俯仰角的运动顺畅。

在一种优选的实施例中，还包括导热延长杆；所述导热延长杆的一端设置在所述二级冷头上，另一端连接所述样品台(3)。

在该种优选的实施例中，导热延长杆用于适应不同的实验需求，适用于不同情况下的实验需求，根据不同的实验需求，只需要更换相应的导热延长杆即可而不需要再对冷头进行修改。

在一种优选的实施例中，所述导热延长杆与所述样品台(3)之间通过辫子连接；所述辫子的材料选自包括铜、金或者银的一种或者多种。

在该种优选的实施例中，辫子由多根金属丝拧成，形状为发辫状，由于导热延长杆在空间上不可也不能直接接触到样品台(3)，故使用辫子连接导热延长杆与样品台(3)，辫子的一端连接导热延长杆的一端，另一端连接在样品台(3)上，从而将热量导出；辫子的材料一方面要具有良好的导热性，另一方面要具有良好的柔软度，故为铜、金或者银已经其他具有上述特性的材料。

在一种优选的实施例中，如图2所示，所述上段传动杆(6)与下段传动杆(7)之间通过联轴器(10)连接。

在该种优选的实施例中，使用联轴器(10)来避免上段传动杆(6)和下段传动杆(7)在运动过程中的连接不同心的问题，从而使其旋转顺畅。

在一种优选的实施例中，还包括套筒；所述套筒连接所述一级冷头；所述套筒包裹所述二级冷头；还包括卡箍支撑(11)；所述卡箍支撑(11)设置在所述上段传动杆(6)上；所述卡箍支撑(11)套接在所述套筒上。

在该种优选的实施例中，套筒通过设置在一级冷头上的安装孔安装在一级冷头上，一方面为样品台(3)提供支撑，另一方面是作为冷屏，将一级冷头的冷量传导至所有冷屏；卡箍支撑(11)由两个作用，一方面为传动杆提供足够强度的支撑，方便同心调节，另一方面是避免了传动杆与套筒之间解除，减少了套筒与起到传动作用的部件之间的导热。

在一种优选的实施例中，还包括支撑板；所述支撑板通过轴承座固定在所述下段传动轴上。

在该种优选的实施例中，支撑板用于固定样品台(3)与其他的装置，从而集约化进行管理，节省空间。

在一种优选的实施例中，所述样品台(3)包括三角支撑、屏蔽罩(13)、屏蔽罩门(14)、屏蔽挡板(15)和样品托(12)；所述屏蔽罩门(14)上设置有测量孔；所述屏蔽罩门(14)安装在所述屏蔽罩(13)上，所述屏蔽挡板(15)安装在所述屏蔽罩(13)上；所述屏蔽挡板(15)安装在所述屏蔽罩(13)上；所述样品托(12)与所述三角支撑设置在所述屏蔽罩(13)内部；所述样品托(12)连接所述三脚支撑。

在该种优选的实施例中，屏蔽罩(13)、屏蔽罩门(14)和屏蔽挡板(15)用于隔离热辐射，一般使用镀金的无氧铜片，也可以使用其他的可以起到良好的隔热效果的材料；屏蔽罩门(14)上设置的测量孔正对样品托(12)的样品位置；在使用时，将样品放置于样品托(12)上，打开屏蔽罩门(14)，将样品托(12)放在三脚支撑上，然后再合上屏蔽罩门(14)，此时的样品正对测量孔，在正式的实验过程中，可以尽可能的减少样品暴露在热辐射的范围。

在一种优选的实施例中，如图4所示，所述样品台(3)上设置有金柱(16)。

在该种优选的实施例中，金柱(16)为纯金制造，使用金柱(16)来进行费米能级的标定，作为参照样品使用来对实际的样品进行测定，使用起来较为方便。

在一种优选的实施例中，所述样品台(3)设置有附件接口。

在该种优选的实施例中，在样品台(3)上设置有附件接口，可以在附件的接口对设备进行扩展，可以用来安装样品停放台、高温加热台、样品解理台等模块。

在一种优选的实施例中，如图3所示，所述屏蔽挡板(15)倾斜于屏蔽罩(13)和屏蔽罩门(14)。

在该种优选的实施例中，屏蔽挡板(15)倾斜于屏蔽罩(13)和屏蔽罩门(14)，在样品托(12)的运动过程中，倾斜的设置可以保证样品托(12)始终处于被屏蔽挡板(15)保护的范围之内，从而隔离热辐射。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，包括制冷机、样品架头部，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头，所述二级冷头连接所述一级冷头，其特征在于：还包括转接件、旋转机、软轴、上段传动杆、下段传动杆、齿轮组、蜗轮蜗杆组和样品台；

所述样品台用于放置样品；

所述转接件上设置有对外接口；

所述旋转机连接所述软轴；所述软轴通过所述对外接口穿所述转接件而过；所述软轴连接所述上段传动杆；所述上段传动杆连接所述下段传动杆；所述下段传动杆连接所述齿轮组；所述齿轮组连接所述蜗轮蜗杆组；所述蜗轮蜗杆组连接所述样品台。

2.根据权利要求1所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：还包括导热延长杆；所述导热延长杆的一端设置在所述二级冷头上，另一端连接所述样品台。

3.根据权利要求2所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：所述导热延长杆与所述样品台之间通过柔性辫子连接；所述柔性辫子的材料选自包括铜、金或者银的一种或者多种。

4.根据权利要求1所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：所述上段传动杆与下段传动杆之间通过联轴器连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：还包括套筒；所述套筒连接所述一级冷头；所述套筒包裹所述二级冷头。

6.根据权利要求5所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：还包括卡箍支撑；所述卡箍支撑用于支撑所述上段传动杆上；所述卡箍支撑套接在所述套筒上。

7.根据权利要求5所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：还包括支撑板；所述支撑板通过轴承座固定在所述下段传动轴上。

8.根据权利要求1至权利要求7任一所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：所述样品台包括三角支撑、屏蔽罩、屏蔽罩门、屏蔽挡板和样品托；

所述屏蔽罩门上设置有通光孔；

所述屏蔽罩门安装在所述屏蔽罩上，所述屏蔽挡板安装在所述屏蔽罩上；所述屏蔽挡板安装在所述屏蔽罩上；所述样品托与所述三角支撑设置在所述屏蔽罩内部；所述样品托连接所述三脚支撑。

9.根据权利要求8所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：所述样品台上设置有金柱。

10.根据权利要求8所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：所述样品台设置有附件接口。

11.根据权利要求8所述的一种基于GM制冷机的带俯仰转动功能的低温样品架，其特征在于：所述屏蔽挡板倾斜于屏蔽罩和屏蔽罩门。

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