CN113167435B - 用于超低温实验和极高真空（xhv）条件的低温冷却真空室辐射屏障 - Google Patents

用于超低温实验和极高真空（xhv）条件的低温冷却真空室辐射屏障 Download PDF

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Abstract

本发明描述了用于超高真空或极高真空的方法、系统及装置。这样的系统可以包括：真空室；真空室内的靶标；两个或更多个重叠的辐射屏障，其布置在真空室的内部真空空间内并围绕靶标的至少一部分；第一冷却元件单元和第二冷却元件单元，其热耦合到两个或更多个重叠的辐射屏障中的第一辐射屏障和第二辐射屏障，其中，第一单元配置为将第一辐射屏障的温度降低到至少低于100K，第二单元配置为将第二辐射屏障的温度降低到至少低于25K；以及第三冷却元件单元，其耦合到靶标并与第一辐射屏障和第二辐射屏障隔离，其中，第三冷却元件单元配置为将靶标的温度降低到至少低于4K。

Description

用于超低温实验和极高真空(XHV)条件的低温冷却真空室辐 射屏障
根据35U.S.C.§119要求优先权
本专利申请要求于2018年9月12日递交的发明名称为“CRYOGENICALLY COOLEDVACUUM CHAMBER RADIATION SHIELDS FOR ULTRA-LOW TEMPERATURE EXPERIMENTS ANDEXTREME HIGH VACUUM(XHV)CONDITIONS”的美国临时专利申请号62/730,233及于2019年4月26日递交的发明名称为“CRYOGENICALLYCOOLED VACUUM CHAMBER RADIATION SHIELDSFOR ULTRA-LOW TEMPERATURE EXPERIMENTS AND EXTREME HIGH VACUUM(XHV)CONDITIONS”的美国临时专利申请号62/838,999的优先权，这两个专利申请被转让给本申请的受让人，通过引起将这两个专利申请的内容并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及超低温、超高及极高真空系统。具体地，但非限制性地，本发明涉及用于真空室的系统、方法和设备，该真空室使用一个或多个低温冷却辐射屏障来降低真空室内的压力和/或为低温实验提供低温环境(cryogenic environment)。
附图简要说明
图1示出了一种超高或极高真空系统，其包括腔室、辐射屏障、专用屏障低温恒温器、具有目标的低温恒温器及(可选的)实验工具。
图2示出了与图1相同的UHV或XHV真空系统，其加入了第二专用低温恒温器和第二屏障。
图3示出了与图2相同的UHV或XHV真空系统，其具有两级专用屏障低温恒温器。
图4示出了具有三个辐射屏障、三个屏障低温恒温器、及具有目标的低温恒温器的UHV或XHV真空系统。
图5示出了现有技术中的具有低温恒温器、真空泵和目标的真空系统。
图6示出了另一实施例中的具有单个冷却辐射屏障的UHV腔室。
图7示出了具有两个辐射屏障、两级低温恒温器、可选的吸附剂材料、真空泵和通用设备的UHV或XHV真空系统。
图8示出了具有两个辐射屏障、两级低温恒温器、可选的吸附剂材料、真空泵和低温冷却目标的UHV或XHV真空系统。
图9通过截面图示出了具有两个低温冷却辐射屏障的UHV或XHV真空系统。
图10通过截面图示出了具有两个低温冷却辐射屏障的另一UHV或XHV真空系统。
图11示出了具有两个低温冷却辐射屏障、冷却目标和半球形ARPES分析仪的UHV或XHV真空系统的截面立体图。
图12示出了现有技术中的独立的半球形分析仪和飞行时间(TOF)分析仪。
图13示出了另一现有技术实施例中的半球形分析仪，其通常与具有目标的UHV腔室连接。
图14示出了使用单级低温头的低温冷却半球形分析仪的新构思。
图15示出了使用单级低温头的低温冷却TOF分析仪的新构思。
图16示出了使用两级冷却头的低温冷却半球形分析仪的另一实施例。
图17示出了使用两级冷却头的低温冷却TOF分析仪的另一实施例。
图18示出了图16所示的2级冷却半球形分析仪的第一实施例，其附接至低温冷却XHV真空室。
图19示出了图16所示的2级冷却半球形分析仪的第二实施例，其附接至低温冷却XHV真空室。
图20示出了图16或图17所示分析仪的扩展，其中使用了扩展检测器。
图21为图16所示分析仪的截面的立体图。
图22为图17所示分析仪的截面的立体图。
图23为图18所示分析仪的截面的立体图。
图24为图23所示分析仪的详细视图，其示出了热母线与。。。的内部布线的一实施例。
图25示出了具有单个和多个冷却头的分析仪和冷却头构造的各种示例。由此可以看出，本发明涵盖各种各样的实验装置。
图26为2级冷却半球形分析仪，其第一级热耦合至第一组的一个或多个电极，第二级热耦合至第二组的一个或多个电极。
图27为2级冷却TOF分析仪，其第一级热耦合至第一组的一个或多个电极，第二级热耦合至第二组的一个或多个电极。
图28为图2、图3、图7和图8所示的XHV腔室的示意图，其示出了该腔室与中间间隙的示例性相对尺寸。该图还示出了真空度和存在于中间间隙内的颗粒种类。
发明内容
下面给出了与本发明所公开的一个或多个方面和/或实施例有关的简化概述。这样，以下概述不应被认为是对所有预期方面和/或实施例的广泛概述，并且，以下概述也不应被视为确定与所有预期方面和/或实施例有关的关键要素或界定与任意特定方面和/或实施例相关联的范围。因此，以下概述的唯一目的是在对下文中的具体实施方式进行描述之前以简化形式给出与与本申请所公开的机制有关的一个或多个方面和/或实施例有关的特定构思。
本发明的一些实施例被描述为一种超高真空(UHV)或极高真空(XHV)系统，其包括真空室；位于所述真空室内的靶标；在真空室的内真空空间内设置的两个或更多个重叠的辐射屏障，其中，所述两个或更多个重叠的辐射屏障围绕所述靶标的至少一部分；第一冷却元件单元，其热耦合至所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第一辐射屏障，其中，该第一冷却元件单元被配置成将第一辐射屏障的温度降低至至少<100K；第二冷却元件单元，其热耦合至所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第二辐射屏障，其中，该第二冷却元件单元被配置成将第二辐射屏障的稳定降低至至少<25K；及第三冷却元件单元，其热耦合至所述靶标，该第三冷却元件单元与所述第一辐射屏障和所述第二辐射屏障热隔离，其中，所述第三冷却元件单元被配置成将所述靶标的稳定降低至至少<4K。
本发明的其它实施例可被描述为用于UHV或XHV的方法，其包括：在真空室的内真空空间内设置两个或更多个重叠的辐射屏障，这两个或更多个重叠的辐射屏障围绕一靶标覆盖至少90％的4π球面度；将第一冷却元件单元热耦合至所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第一辐射屏障；将第二冷却元件单元热耦合至所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第二辐射屏障；将第三冷却元件单元热耦合至所述靶标，所述第三冷却元件单元与所述第一和第二辐射屏障热隔离；将所述第一辐射屏障冷却至<100K；将所述第二辐射屏障冷却至<25K；将所述靶标冷却至<4K；及通过所述第一和第二辐射屏障上的一个或多个孔使一细长型工具与所述靶标互动，同时保持所述靶标周围至少90％的4π球面度覆盖范围。
本发明的一些其它实施例可被描述为一种用于UHV或XHV的设备，其包括：位于真空室的内真空空间内的两个或更多个重叠的辐射屏障，其中，这两个或更多个重叠的辐射屏障包围一靶标的至少一部分，由此阻止大部分黑体辐射到达所述靶标；用于将第一辐射屏障的温度降低至<100K的装置；用于将第二辐射屏障的温度降低至<25K的装置；用于将所述靶标的温度降低至<4K的装置，其中，用于降低所述靶标的温度的装置与用于降低所述第一辐射屏障的温度的装置和用于降低所述第二辐射屏障的温度的装置热隔离；及用于通过所述第一和第二辐射屏障上的一个或多个孔与所述靶标互动的装置。
背景技术
超高真空(UHV)是压力低于约10-7帕(Pa)或100纳帕(10-9毫巴,～10-9托)的真空状态，而极高真空(XHV)是压力低于约10-10Pa的状态。UHV和XHV条件是通过从UHV/XHV腔室抽出气体而产生的。在这些低压下，气体分子的平均自由程大于40km，因此，气体处于自由分子流中，气体分子在与彼此碰撞之前可能会与腔室壁碰撞很多次。因此，在某些方面，几乎所有的分子相互作用都发生在腔室内的各个表面上。
UHV/XHV条件对于科学研究以及现代技术都是不可或缺的。表面科学实验通常需要化学上清洁的样品表面，不存在任何不需要的吸附物。X射线角度分辨光发射光谱(ARPES)、扫描隧道显微镜(STM)和低能离子散射等表面分析工具都需要UHV条件来传输电子或离子束。出于同样的原因，大型强子对撞机等粒子加速器中的束流管要保持在UHV条件下。在某些情况下，MBE生长室需要UHV条件才能去除污染物，否则污染物会在生长过程中破坏原始晶体。在某些情况下，用于量子信息实验的离子陷阱可能会受到没有低到可防止残留气体颗粒将离子从陷阱中击出的UHV水平的妨碍，从而缩短实验寿命。
维持UHV/XHV条件通常涉及对设备使用能够承受高温以及维持低排气率和蒸气压的专用材料。在某些情况下，将设备排空后，可以将整个系统加热到高于100℃或更高的温度达几个小时(“烘烤”)，以除去吸附在腔室表面上的水和其他微量气体，以防止在操作期间材料将粒子脱气至真空中。因此，尚未实现长期操作(即，不进行烘烤)。
在某些情况下，通常通过将一个或多个泵附到腔室并通过泵送除去气体粒子来实现低压(或高真空)条件。因此，压力或真空度取决于整个腔室容积的泵的数量和质量，压力底(pressure floor)的实际限制是人们为了增加另外的泵所能够做出的位于腔室上的孔的数量和尺寸。换句话说，对于给定的腔室尺寸，泵送率受到限制。
低温条件通常是通过在要达到最低温度的腔室部分周围(例如，围绕一靶标，例如，样品或实验工具)使用一个或多个辐射屏障来实现的。在某些情况下，可以将这些辐射屏障进行冷却(例如，冷却至77K)以减少它们的热黑体辐射并阻挡来自屏障外部的辐射(例如，来自腔室壁的辐射，通常约为300K)。因此，冷却工作可以集中在从由一个或多个屏障包围的空间内去除热能上，而不必与入射热辐射所赋予的热能作斗争。在一些情况下，可以通过与也用于冷却靶标或实验工具的相同低温恒温器直接接触来冷却辐射屏障(例如，参见图5；也参见US 5339650、US 20100219832和US 4765153)。例如，辐射屏障可以热耦合至两级冷头(cold head)(也称为“冷冻头(cryohead)”)的第一级，其中，第二级热耦合至靶标，并且，第二级和靶标被辐射屏障包围。然而，当这些辐射屏障中的一个或多个热耦合至冷却元件时，冷却元件的温度的任何变化(例如，靶标的有意温度扫描)都可能传播到辐射屏障中，导致吸附离子不必要的排出、通过热膨胀产生的位置不稳定性或两者兼有。
在某些情况下，例如，在分子束外延系统(或MBE)中，可能需要在样品生长期间从真空室中去除残留的气体粒子。为此，MBE可使用一个或多个通过与液氮直接接触进行低温冷却(例如，降至77K或更低)的面板来“冻结”真空中的残留气体。换句话说，当“温暖”的气体粒子接触低温板时，它们会凝结并冻结在低温板上，从而从腔室中有效地去除“温暖”的气体粒子。在某些情况下，这些低温板可能需要定期进行再生，因为它们在高气体负荷下会迅速被粒子饱和，不能再从真空中去除粒子。在一些示例中，再生涉及周期性地使一个或多个低温板达到升高的温度，使得可以从低温板和系统中清除冷冻的气体/粒子。这意味着低温板只能在有限的时间内保持所需的真空压力。
在其它一些情况下，通常要使用角度分辨光发射光谱(ARPES)工具来检测来自保持在真空中的冷靶标的电子发射。尽管通常会对靶标进行冷却，但ARPES工具却没有被冷却，因此会充当靶标的黑体辐射和离子发射源(例如，由于真空度不足)。如果靶标(或样品)被封闭在低温屏障的真空室内，则ARPES工具的“温暖”表面可以充当(a)冷靶标的热源(通过黑体辐射)。在某些情况下，这种黑体辐射可能会控制靶标上的热负荷，从而影响可获得的最低目标温度。(b)另外或替代地，由于热分析仪内的真空度不如低温真空室内的真空度高，因此，ARPES工具可充当直接靶向冷靶标表面的气体污染源。在某些方面，与理想情况相比，这将会减少干净靶标的寿命(直到靶标从真空中冻结出如此多的粒子以至于必须清洗或更换靶标的时间)。(c)在某些其它情况下，ARPES工具还可充当系统中(例如，交换散射自旋检测器(exchange-scattering spin detector)中)某些气体敏感组件的气体污染源。
具体实施方式
本文使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例未必解释为比其它实施例更为优选或更具优势。
在现代真空系统中，真空室和真空泵被视为两个彼此附接的独立设备。当需要尽量最低的真空度时，真空泵可选择为具有最高泵速和最低极限压力的类型，诸如低温泵，在所有方向上，木炭散热片内的容积都被低于15K环绕，并且真空度可达XHV压力。本发明背后的动机是创建这样一种真空室，该真空室通过将真空室壁转换成低温泵而产生低温泵内部存在的热和真空条件。这是通过对真空室的绝大部分(例如，>90％、>95％、>99％)内表面内衬低温冷却辐射屏障来实现的。在辐射屏障与腔室本身的尺寸近乎相同的极限情况下，几乎所有内表面皆变成抽吸表面，类似于低温泵内部。此外，这些辐射屏障可通过专用低温恒温器来冷却，使得任何内部实验设备或工艺均与辐射屏障和腔室完全解耦。当将腔室、辐射屏障和专用低温恒温器视为单一整体时，真空室和真空泵不再是独立的设备，因为腔室本身已成为泵。
据信，由专用且隔离的低温恒温器(例如，低温头或冷头)冷却的辐射屏障鲜少或从不冷却到低于77K，不使用闭合循环制冷机，也不完全包围UHV/XHV腔室内的靶标空间(即，“完全包围”是指在靶标周围覆盖至少90％的4π球面度)。
为此，本发明涉及用于UHV或极高真空(XHV)腔室的系统、方法和装置，该腔室使用两个以上重叠的低温冷却辐射屏障，该些辐射屏障与用于冷却靶标或实验工具的冷却元件热隔离。换言之，本文描述的系统、方法和装置包括UHV或XHV腔室，其使用两个以上辐射屏障以增大腔室的泵送速度(经由增加泵送表面积)。在某一实施例中，可在靶标或实验工具周围布置两个或更多个低温冷却辐射屏障，其中，外辐射屏障可被冷却到低于77K、低于70K、低于50K或低于35K，而内辐射屏障可被冷却到低于20K、低于15K、低于4.4K或低于4K。在本发明的一方面，这种系统可应用于粒子检测器系统(例如，ARPES系统)以帮助冷却检测器表面、改善黑体辐射屏障、改善电屏蔽和/或降低真空度。
在某些情形下，将辐射屏障冷却到低于77K(例如，25K或15K或4K或2.8K)的能力可以允许有效地泵送所有气体种类，包括氢气，其是阻止当前UHV系统达到真正XHV压力的主要气体。使用闭合循环制冷机具有双重优势：它允许使用较冷的第二级辐射屏障上的吸附剂材料，因而最大限度地降低气体饱和度并降低再生频率(即，再生吸附板所需的低温板停工时间)，并且相比现有技术更为便捷且具长期成本效益，这是因为它无需高成本又浪费的液态制冷剂，诸如液氮(LN2)和液氦(LHe)。在某些情形下，使用近乎完美的真空泵完全包封靶标空间(即，辐射板通过冻结气体/粒子起到泵的作用)，可使真空室达到其最大泵速的理论极限，因而真空度最低。此外，这样完全包封低温下(例如，低于4K)的辐射屏障也会将靶标上的热辐射负荷降低到几乎为零，从而允许本发明的靶标低温恒温器达到其最低基本温度，同时仍保持通过由屏障主动冷却的门、遮窗和挡板为实验系统的工作环境提供访问和操纵。如上所述，“完全包封”可以定义为覆盖靶标周围至少90％的4π球面度的辐射屏障。
图1示出了超高真空(UHV)或极高真空(XHV)系统100，其包括腔室102、辐射屏障120、专用屏障低温恒温器112、第二低温恒温器110、样品(或靶标)130和可选的实验工具140。图2示出了具有附加的专用屏障低温恒温器和附加的辐射屏障的相同UHV或XHV真空系统。样品130可耦合到第二低温恒温器110的“操纵器”，并由此热耦合到第二低温恒温器110。在某些情形下，该样品可包括超导电路或者任何其它要在绝对零值或接近零值(即，～0K温度)和/或在UHV或XHV内操作的对象。
如图1所示，第二低温恒温器110可与辐射屏障120热隔离，而专用屏障低温恒温器112可与辐射屏障120热耦合。在某些情况下，这种布置允许专用屏障低温恒温器112独立于第二低温恒温器110的变化来控制辐射屏障120的温度。在图中所示的示例中，样品130可以经由腔室102与大气完全隔离。在某些情形下，腔室102可以由不锈钢、高导磁率材料(例如，mu metal、超透磁合金(supermalloy)、超导磁合金(supermumetal)或钼坡莫合金(molybdenum permalloy))组成。在某些示例中，第二低温恒温器110可将样品130冷却到从室温至10mK量级的温度或以下的任何温度。
如图所示，辐射屏障120可围绕并包封样品130的大部分。此外，虽然辐射屏障120可能包括一个或多个开口或间隙以允许置入第二低温恒温器110、负荷锁、可选的实验工具140、观察窗、泵孔等，但在一实施例中，辐射屏障120可覆盖样品130周围超过90％或95％或99％或99.5％的4π球面度。
在某些情形下，专用屏障低温恒温器112可与第二低温恒温器110热隔离。此外，专用屏障低温恒温器112可耦合到辐射屏障120，以使辐射屏障被冷却到低于77K、低于70K、低于50K或低于45K。在这些温度下，腔室102内的一种或多种气体可冻结到辐射屏障120上。在这类情形下，辐射屏障120可以充当分布式真空泵。
如图所示，辐射屏障120可具有与腔室102相当的尺寸，使得它们被小间隙(例如0.5"-3")隔开。该小间隙与腔室尺寸的长宽比优选为足够小(例如，间隙/腔室<10％)，使得离开300K腔室壁的气体分子更有可能(例如，>75％)撞击屏障并冻结，而非撞击另一个300K表面。倘若屏障被冷却到足以泵送某些种类的气体，则该小间隙将迫使这些类气体的几乎全部气体分子在其第一次或第二次离开时皆被泵送，而非在数百次甚至数千次离开后才被泵送。
出于本发明的目的，辐射屏障(例如，辐射屏障120)可在结构上不同于其它类型的真空屏蔽件，因为其基材、物理隔离和表面光洁度可经工程设计成减少来自周围约300K腔室到样品上的热辐射，或者大幅提高系统周围的有效泵速，以实现更佳的真空条件，或两者兼备。在某些示例中，所述基材可选择为在低于300K的温度下极佳的导热体(例如，OFHC铜、99.999％铝等)，以便能够迅速去除入射热量，从而允许基材保持极低的基础温度。附加地或替选地，可将屏障与温热腔室物理隔离(例如，经由特殊的机械连接)，以最大限度地减少可能提高其基础温度的热泄漏。在某些其它示例中，所述表面光洁度可选择为使其在外表面(例如，镀镍或镀金)上具有高反射性(或具有低发射率)，以反射尽量最多的300K辐射。相比之下，部分内表面(或任何表面)可选取为具有高吸收性(例如，黑色饰面)，以防止任何辐射更深入地反射到系统中并射向靶标，而其它部分也可制成具反射性以降低朝向靶标的发射率。应当指出，低温恒温器只是可用于冷却本发明所公开的靶标或辐射屏障中的任一个的“冷却元件”的一个示例。在一实施例中，本发明中提及的一个或多个低温恒温器可呈闭循环。
本发明的相关益处在于，包围工作空间和样品130的冷却辐射屏障120使撞击工作空间和样品的热辐射或“黑体辐射”大幅减少。这是由于黑体辐射的T4定标所致，从而将周围温度从300K(室温)降低到10K意味着热负荷减少304倍或810000倍。这样大幅减少的热负荷使得分隔的第二低温恒温器110(即，样品低温恒温器)的设计更为有效和简单，例如，可达到的温度更低、低温操纵器的液氦消耗更少、和/或能够设计有效的小尺寸闭循环操纵器，其在无单独冷却辐射屏障的情况下，明显优于腔室内的低温操纵器。这些应用包括开发XHV ARPES(稍后讨论，请参见图12至图22)和具有超低温样品操纵器的STM腔室。
图6示出了具有单个冷却辐射屏障的UHV腔室的另一实施例。
虽可实施多于两个的辐射屏障，并且图1、图6、图14和图15中的单屏障实施例可能不够冷到XHV真空水平，但单屏障实施例可具有足够冷的屏障来泵送大多数较重的气体，包括水，其是从真空系统中去除问题最多的一种。在某些情形下，使用耦合到辐射屏障的闭循环冷却元件的单屏障实施例可能是目前某些MBE系统中液氮冷却屏障的潜在替代品。
在其它实施例中，如图2、图3、图4、图7、图8、图9、图10和图11所示，可以使用两个或更多个辐射屏障。在这类情形下，每个辐射屏障可热耦合到其自身的冷却元件(例如，单独的闭循环低温头)。譬如，在图2中，辐射屏障120、122分别热耦合到低温恒温器112和114的独立冷却元件。在其它实施例中，单个双级低温恒温器(例如，图3中的低温恒温器112和图7和图8中的(双级)闭循环低温头)可用于冷却两个辐射屏障120、122中的每一个，其中，第二级(连接到内辐射屏障122)达到低于25K或低于15K或低于11K或低于4.4K或低于4K或低于3.5K或低于2.8K的温度。通常，低于15K的温度可导致XHV运行。
应当指出，对于低温应用和XHV条件，使用冷却屏障(未示出)覆盖全部开放的端口(诸如用于样品转移、蒸发、观察等的那些端口)是有益的，因为即使1％的处于300K且朝向低温样品的4π球面度也可左右处于低温(例如，4K)的另外99％。在某些方面，这些端口可经由两件式“翻盖”设计(例如，参见图9)来关闭或部分关闭，其中翻盖的每一件均被冷却。在某些情况下，两件式翻盖设计也可包括用于每个端口或用于观察的单独冷却遮窗以及由导热材料(诸如蓝宝石)制成的冷却透明窗。
在每一上述实施例中，冷却重叠的辐射屏障及将其布置在腔室内且靠近腔室内壁可以优化腔室的有效泵速，因为真空泵可结合将出自真空的气体“冻结”或冷冻吸附到辐射屏障上的效果。在某些情形下，辐射屏障的表面积有限，并最终会饱含吸附的气体，使得任何额外撞击在屏障上的气体将不再粘附至屏障。在某些示例中，通过增加可用的冷表面积，例如，通过添加热沉降(例如，热耦合、胶合、附着)到一个或多个辐射屏障(例如，内辐射屏障)的吸附剂材料，能够大幅增加吸附气体的总量。
在某一示例中，所述吸附剂材料可以是具有高有效表面积(例如，每克大于1000m2)的微孔材料(例如，椰壳活性炭、分子筛、阳极化铝(anodized aluminum)等)，如因无数的微腔和互连通道贯穿了大部分材料。通过将吸附剂材料冷却降到辐射屏障的温度，能够增加屏障的总冷泵面积(例如，增加10,000倍或更多倍)。对于仍可在低温吸附的表面上移动的较轻气体(例如，H2)，这也会增加直到屏障达到饱和前的时间量(例如，同样10,000倍或更多倍)。譬如，吸附的气体可以沿着辐射屏障的表面迁移，直到该气体到达要将其捕获的吸附剂材料为止。
应当指出，在较高温度(例如77K)下操作的低温板与本发明公开的吸附剂材料互不兼容，因为这种“温热”的低温板往往泵送低温冷凝性气体(例如，H2O、O2、CO2等)，从而导致在内孔完全满载之前，吸附剂的表面业已堵塞。因此，本领域技术人员不会考虑在冷却到约77K的低温板上使用吸附剂材料。在本发明中，通过使用两个辐射屏障克服了这一挑战，其中外屏障冷却到稍高温度(例如，低于100K)，冻结低温冷凝性气体(否则其可能堵塞吸附剂材料)；然后内辐射屏障冷却到更低温度(例如，低于25K或低于15K)并热耦合到吸附剂材料，从而大幅增加内屏障的表面积，同时又不易发生堵塞。一些示例可参见图7和图8。
为了进一步防止如上所述的吸附剂材料发生堵塞，可将吸附剂材料包封在单独的辐射屏障(例如，图7和图8的外辐射屏障)内，使得所有低温冷凝性气体在其可能更深入地朝向内屏障(例如，图7和图8的内辐射屏障)上的吸附剂迁移之前会冻结到外辐射屏障上。吸附剂材料在辐射屏障上的覆盖量可从小片(例如，如图7和图8所示)到全覆盖整个屏障任意变化，并且吸附剂材料可布置在屏障的内表面上(或屏障上的任意位置)、屏障的外表面或这两者的组合。优选地，屏障和吸附剂材料的布置使得大多数(若非全部)低温冷凝性气体在其到达内辐射屏障之前便会冻结到最外辐射屏障上。在某些示例中，有益的是，将吸附剂热沉降到屏障的最冷部分(例如，如图7和图8所示，与低温头的连接处附近)或整个屏障(如果屏障的所有部分均达到近乎相同的基础温度)。
这种屏障和吸附剂材料的布置可参阅图28中的示意图。真空室2809包封外辐射屏障2806，该外辐射屏障2806包封内辐射屏障2802，该内辐射屏障2802内部内衬有吸附剂材料2812。空心圆圈代表低温冷凝性气体2803(例如，H2O、O2、CO2等)，而实心圆圈代表低温吸附性气体2805(例如，H2、He等)。吸附剂材料2812免受低温冷凝性气体的影响，因为它们在通过挡板、遮窗等(图中未示出)更深入地迁移之前会遇到外屏障并被其捕获。
图28还示出了屏障之间的间隙选择为足够小(例如，间隙/腔室<10％)，使得从任何给定表面离开的气体分子更有可能(例如，>75％)撞击更冷的表面并冻结，而非撞击它们所离开的同一表面。对于分别到外辐射屏障2806和内辐射屏障2802上的低温冷凝性气体2803和低温吸附性气体2805而言，这一点确实成立。这样就能确保所有气体种类的最大泵速。
如图所示，屏障2806、2802之间的间隙还会限定不同的真空体积，其中主要存在不同的气体种类和真空水平。高真空(HV)体积是存在各物质的非焙烧室的典型特征，但低温冷凝性气体2803优先覆盖外屏障2806除外。超高真空(UHV)体积是焙烧室的典型特征，其中已去除大多数低温冷凝性气体2803，而更轻的低温吸附性气体2805则居主导。最靠内的极高真空(XHV)体积提供的压力要比典型的UHV焙烧室低几个数量级，其中已去除大多数种类的气体。这种低温屏障结构和隔离间隙体积(各自具有最大可能泵速)允许在非焙烧室内达到真正的UHV/XHV水平，从而不再要求特殊的高温材料和漫长的焙烧时间。
在某些情形下，热耦合到两个辐射屏障的冷头可能在不同的时间开启。譬如，可以接通连接到外辐射屏障的第一冷头，从而将外辐射屏障冷却到低于100K。在某些情形下，外辐射屏障可以从真空室中泵出低温冷凝性气体。此外，可以在接通第一冷头之后或者在真空室中一种或多种低温冷凝性气体的分压低于阈值之后的特定时间段内接通连接到附有吸附剂的内辐射屏障的第二冷头。
在某些示例中，吸附剂材料可作为小固体块或小丸(例如，小于1cm3)供应。在此情形下，紧密堆积的单层片可以最大限度地增加冷泵表面积，同时还能确保每片变冷。可借助阳极化将吸附剂材料以电化学方式涂覆到屏障的整个表面，以使吸附剂与屏障之间的热接触近乎完美。在某些情形下，譬如在屏障由高电导率铝制成的情况下，吸附剂材料的电化学应用尤为有效。在此情形下，可对整个表面进行阳极化处理，从而创建将充当吸附剂材料的多孔表面，同时保持吸附剂与屏障之间基本完美的热接触。在某些情形下，当使用两个辐射屏障时，可满足XHV条件，其中一个辐射屏障比另一个辐射屏障更冷，其中更冷的内屏障包含吸附剂材料，并将吸附剂材料和内屏障冷却到至少15K。
闭循环冷头是本公开的冷却元件的一个示例，且其主要部件可包括膨胀器、压缩器、真空罩和辐射屏障。在某些情形下，冷头又可称为低温头，这两个术语可以互换使用。膨胀器(常称为冷指)是吉福德-麦克马洪循环制冷机(Gifford-McMahon)、脉冲管或任何其他类型的低温制冷循环所居之处。在某些情形下，膨胀器可以通过两条气体管线和一条电力电缆连接到压缩器。在某些示例中，气体管线之一可以向膨胀器供应高压氦气，而另一气体管线可以从膨胀器返回低压氦气。在此情形下，压缩器可以在高压和低压下提供必要的氦气流速，以使膨胀器转变到预期的制冷容量。
在某些情形下，真空罩可在真空中围绕膨胀器的冷端，从而限制膨胀器上因传导和对流引起的热负荷。在某些情形下，辐射屏障可由膨胀器的第一级来主动冷却，并且可使第二级与从真空罩发出的室温(～300K)热辐射隔离。应当指出，辐射屏障不必是一个连续件，而可包含通往内部的开口；这些开口优选地包含重叠的部件(例如，挡板或遮窗)，以阻止从温热的真空罩到较冷的第二级的直线通路。
除这些主要部件外，闭循环冷头还可配备有多个支撑系统。通常，实验室系统会具有仪表裙板，该仪表裙板提供真空端口和电气馈通孔以及用于测量和调节靶标温度的温度控制器。该系统也可以包括电力、用于压缩器的冷却水以及用于靶标空间的一个或多个真空泵。如图6、图7和图8所示，真空泵可以连接到腔室的一端，而闭循环低温头可以连接到腔室的另一第二端。
带电粒子分析器应用
图12A示出已知的半球ARPES分析器，而图12B示出已知的飞行时间(TOF)ARPES分析器。在这两种情形下，分析器包括真空封闭室一端的检测器以及沿工具长度延伸的电极，相对两端的电极中存在布置靶标的开口。可对电极施加偏压，以控制离开靶标并穿过电极开口的电子的运动。典型的ARPES分析器可包括内外Mu Metal屏障以及不锈钢(或某些其它材料)真空套。分析器电极可彼此电隔离。
图13示出耦合到UHV腔室的已知半球ARPES分析器。UHV腔室可包括靶标和具有辐射屏障的低温靶标操纵器(即，将靶标或样品耦合到冷头)。为了减少ARPES分析器的“温热”表面对靶标的不利影响，通常将与靶标相邻的辐射屏障中的开口最小化。
早先曾尝试在ARPES真空室系统中减少黑体辐射并实现低真空，但如参照图1至图11所述的冷却辐射屏障应用能够进一步降低已知ARPES系统的黑体辐射和真空压力。特别地，一个或多个闭循环低温冷头可以耦合到分析器电极和/或真空套内的一个或多个辐射屏障，以增加任何现有真空设备的有效冷泵表面积。附加地，冷却辐射屏障的额外优势在于，可充当ARPES分析器整个内部以及靶标和靶标操纵器空间周围的全封闭电气“法拉第笼(Faraday cage)”，从而减少从真空室外部泄漏到分析器的电子噪声。这也会为实验系统的内部提供高度稳定的电子基准点。尽管本公开使用ARPES分析器作为示例性带电粒子分析器，但本公开同样可应用于任何带电粒子分析器系统、静电分析器或任何其他类型的利用真空的电子分析器。
图14示出低温冷却的半球ARPES分析器1400的实施例，而图15示出低温冷却的TOFARPES分析器1500的实施例。这两个实施例皆可包括耦合到一个或多个分析器电极(例如，分析器电极1402或分析器电极1502)的第一闭循环单级低温头或冷头(例如，低温头1401-a或低温头1501-a)。在某些情形下，可通过电隔离部件(例如，电气断路器1403或电气断路器1503)进行耦合，该电隔离部件可以由一块蓝宝石或任何其他具有高导热率但具有低导电率的材料组成。在一些情形下，ARPES分析器1400和TOF分析器1500可以在分析器的一端(即，与靶标相对的一端)包括检测器1405或检测器1505。在某些情形下，ARPES分析器或TOF分析器也可以包括外金属屏障1407或1507、内金属屏障1408或1508以及真空套1409或1509。
同时，分析器电极彼此隔离，因此导热路径(例如，铜编织层、导热索、导热带、导热母排1404或1504或任何其他刚性或柔性导热路径)之间可穿过低温头1401或低温头1501与各个电极1402或电极1502之间，使得每个电极冷却到相同的温度。在某些示例中，正如冷头那样，导热路径可通过电隔离部件(例如，蓝宝石电气断路器)耦合到每个电极。也可使用其他设置来维持各个电极之间的热平衡，但它们之间保持电隔离。
在某些情形下，譬如，当使用单个冷头时，分析器半球部分的两个电极之间可能需要一条导热路径。任选地，在半球变型方案中，第二低温头1401-b可耦合到分析器的半球部分中的任何或全部电极。可使用导热母排1404-b(如图所示)来提供第二低温头1401-b与全部电极之间的导热路径。
图16示出使用双级低温头和冷却辐射屏障的低温冷却的半球ARPES分析器1600的实施例。图17示出使用双级低温头和冷却辐射屏障的低温冷却的TOF ARPES分析器1700的实施例。ARPES分析器1600和TOFARPES分析器1700可以实施如分别参照图14和图15另述的ARPES分析器1400和TOF ARPES分析器1500的一个或多个方面。
图16的半球ARPES分析器可以包括一个或多个低温头1601(即，低温头1601-a和低温头1601-b)、一个或多个分析器电极1602、一个或多个电气断路器1603、一个或多个导热母排1604(即，导热母排1604-a和导热母排1604-b)、ARPES分析器一端的检测器1605、外辐射屏障1606、外金属屏障1607、内金属屏障1608和真空套1609。
图17的TOF ARPES分析器可以包括双级低温头1701、一个或多个分析器电极1702、一个或多个电气断路器1703、导热母排1704、ARPES分析器一端的检测器1705、外辐射屏障1706、外金属屏障1707、内金属屏障1708和真空套1709。
在某些情形下，内金属屏障和外金属屏障可以是高磁导率屏障的示例，并可以由mu metal、超透磁合金、超导磁合金、钼坡莫合金或任何其他相对磁导率高于阈值的材料(例如，相对磁导率>10000)。在某些情形下，磁导率可能有关于材料支持自身内形成磁场的能力(即，材料响应于所施加的磁场而获得的磁化程度)。在某些方面，高磁导率材料可以吸引磁场并通过自身重定向磁能，从而屏蔽敏感设备或实验装置。在某些情形下，部署的高磁导率屏障可以允许分析器内的磁场水平极低(例如，<0.5μT或<0.1μT)，这对于高分辨率测量带电粒子(诸如电子)的动能至关重要。在某些情形下，可以通过紫外线(UV)或激光激发来促进样品(或靶标)的电子出射。
在一些情形下，冷却的外辐射屏障1606或外辐射屏障1706可布置在外金属屏障1607或外金属屏障1707以及内金属屏障1608或内金属屏障1708两者内部并布置在电极1602或电极1702外部。在这些实施例中，外辐射屏障1606或1706可冷却到第一温度(例如，低于77K)，而电极1602或1702可冷却到低于第一温度的第二温度(例如，低于4K)。以此方式，电极1602或1702充当如图3、图4、图7至图11中所视的冷却内屏障。在一些情形下，分析器电极1602或1702可以充当低温吸附泵，因为它们热耦合到冷头。在某些其他情形下，可以将吸附剂材料附着到电极1602或1702以增加其冷泵表面积，如参照图7和图8另述。
在某些情形下，与单级低温头1401或1501相比，双级低温头1601或1701可以允许更冷的温度以及更佳的整体热和真空性能。
图18示出图16的实施例耦合到低温冷却的极高真空(XHV)腔室1800。耦合到XHV腔室1800的半球ARPES分析器1816可以包括一个或多个低温头1801(即，低温头1801-c和低温头1801-d)、一个或多个分析器电极1802、一个或多个电气断路器1803、一个或多个导热母排1804(即，导热母排1804-a和导热母排1804-b)、ARPES分析器一端的检测器1805、外辐射屏障1806-b、外金属屏障1807-b、内金属屏障1808-b和真空套1809。此外，XHV腔室1800可以包括一个或多个低温头1801(即，低温头1801-a和低温头1801-b)、外金属屏障1807-a、内金属屏障1808-a、外辐射屏障1806-a、内辐射屏障1810、可选的围绕靶标(或样品1811)的辐射屏障1806-c以及可选的附着到内辐射屏障1810的吸附剂材料1812。在某些情形下，可选的附着到内辐射屏障的吸附剂材料可用来优化真空质量。在一些情形下，内金属屏障和外金属屏障可以是高磁导率屏障的示例，如参照图16所述。在一些情形下，ARPES分析器当中的一个或多个分析器电极1802可以延伸到XHV腔室1800中。
在某些情形下，可使用双级低温头(诸如低温头1801-c和1801-d)将外辐射屏障1806-b冷却到第一温度并将电极1802冷却到低于第一温度的第二温度。在一些情形下，除了将带电粒子引导向检测器1805之外，电极1802还可以充当如图3、图4、图7至图11所视的冷却内屏障。
电极1802并不覆盖整个XHV腔室1800，因此第二辐射屏障1810可布置在XHV腔室1800的外辐射屏障1806-a内部。如图所示，XHV腔室1800可以包括双级低温头1801-a，其冷却XHV腔室的内辐射屏障和外辐射屏障。此外，XHV腔室可以包括用于样品1811的单独双级低温头1801-b，其中低温头1801-b的第一“温”级热耦合到样品周围的辐射屏障1806-c，而第二“冷”级热耦合到样品1811。
在一些情形下，XHV腔室1800的外辐射屏障1806-a可以与ARPES分析器的外辐射屏障1806-b热耦合或与之重叠。譬如，图18的插图中示出这种连接或重叠的三个不同细节图。它们示出交错的非接触式接头1813、紧密配合的重叠式接头1814和法兰式接头1815。也可能有其他接头和重叠选项，只要它们能够实现减少该接头处的辐射泄漏即可。
图19示出图18的变型方案，其中除去高磁导率(例如Mu Metal)屏障之一，并且使用高磁导率真空套1909来取代(例如不锈钢)真空套。在某些情形下，这可允许在真空套1909内具有更少屏蔽件的更紧凑系统。在一些情形下，耦合到XHV腔室1900的半球ARPES分析器1916可以包括一个或多个低温头1901(即，低温头1901-c和低温头1901-d)、一个或多个分析器电极1902、一个或多个电气断路器1903、一个或多个导热母排1904(即，导热母排1904-a和导热母排1904-b)、ARPES分析器一端的检测器1905、外辐射屏障1906-b、内金属屏障1908-b和高磁导率真空套1909。
此外，XHV腔室1900可以包括一个或多个低温头1901(即，低温头1901-a和低温头1901-b)、内金属屏障1908-a、外辐射屏障1906-a、内辐射屏障1910、可选的围绕靶标(或样品1911)的辐射屏障1906-c以及可选的附着到内辐射屏障1910的吸附剂材料1912。在某些情形下，可选的吸附剂材料可用来优化XHV腔室1900中的真空质量。在某些情形下，内金属屏障可以是高磁导率屏障的示例，如参照图16和图18所述。在一些情形下，ARPES分析器1916当中的一个或多个分析器电极1902可以延伸到XHV腔室1900中。
在某些情形下，诸如Mu Metal耦合器1913的高磁导率耦合器可用于桥接ARPES分析器1916与XHV腔室1900之间的高磁导率(例如,Mu Metal)间隙。
图20示出图18的另一变型方案，其中利用可选的扩展检测器2005-b，诸如3D自旋分辨电子检测器或3D自旋极低能电子衍射(VLEED)。在一些情形下，图20的ARPES分析器和XHV腔室可以实施图7、图8、图14、图16和/或图18的多方面。图20示出耦合到XHV腔室2000的半球ARPES分析器2016，并可以包括一个或多个低温头2001(即，低温头2001-c和低温头2001-d)、一个或多个分析器电极2002、一个或多个电气断路器2003、一个或多个导热母排2004(即，导热母排2004-a和导热母排2004-b)、ARPES分析器2016一端的检测器2005-a、可选的检测器2005-b、外辐射屏障2006-b、外金属屏障2007-b、内金属屏障2008-b和真空套2009。
此外，XHV腔室2000可以包括一个或多个低温头2001(即，低温头2001-a和低温头2001-b)、外金属屏障2007-a、内金属屏障2008-a、外辐射屏障2006-a、内辐射屏障2010-a、可选的围绕靶标(或样品2011)的辐射屏障2006-c以及可选的附着至内辐射屏障2010-a的吸附剂材料2012。在某些情形下，可选的附着至内辐射屏障的吸附剂材料可用来优化真空质量。在某些情形下，内金属屏障和外金属屏障可以是高磁导率屏障的示例，如参照图16和图18所述。在一些情形下，ARPES分析器2016当中的一个或多个分析器电极2002可以延伸到XHV腔室2000中。
在某些情形下，可以向该系统添加额外的冷却件，以便可选的扩展检测器2005-b中具备XHV条件。特别地，可选的扩展检测器2005-b可以包括外辐射屏障2006-d，该外辐射屏障2006-d由作为扩展检测器一部分的低温头2001-e或者由耦合到半球ARPES分析器2016的可选的附加低温头2001-d来冷却。在某些情形下，可选的扩展检测器2005-b也可包括由扩展检测器的低温头2001-e来冷却的内辐射屏障2010-b。
应当指出，在本公开全文中，具有狭缝的分析器电极(例如，分析器电极1402、1502、1602、1702、1802、1902或2002)也热耦合到低温头，并可以冷却到低于4K，或与其他电极的温度相同，这也能使其成为黑体辐射在电极内朝向靶标(或样品)传播的有效辐射屏障。
图21是图14中的分析器的横截面透视图。
图22是图15中的分析器的横截面透视图。
图23是图18中的ARPES系统的横截面透视图，而图24提供了该实施例的更多细节。特别地，图24示出导热母排和电气断路器的内部布线的实施例。内部的刚性母排和柔性母排可采取多种不同的方式布线，以适应各种冷头配置和数目。
在一些情形下，图24中的ARPES系统可以包括双级闭循环低温头2401-a、一个或多个分析器电极2402、导热母排2404-a、导热母排2404-a与分析器电极2402之间的一个或多个电隔离器2403(例如，电隔离器2403-a)、检测器2405、外辐射屏障2406、内辐射屏障2410、外金属屏障2407(例如，Mu Metal)、内金属屏障2408(例如，Mu Metal)、一个或多个柔性导热母排2409(例如，铜编织层或导热索)和狭缝转盘2411。此外，ARPES系统的线性部段(即，更靠近靶标或样品)可以包括第二闭循环低温头2401-b、导热母排2404-b以及一个或多个电隔离器2403(例如，电隔离器2403-b)。在某些情形下，电隔离器2403可以由导热且电绝缘的材料(诸如蓝宝石)组成。
图25示出半球ARPES分析器和具有单个和多个低温头的低温头配置的各种示例。由此可见，本公开旨在涵盖多种多样的实验装置。
图26示出双级冷却半球分析器2616，而图27示出双级冷却TOF分析器2716。这些分析器的主要考虑因素在于尽量减少样品处的辐射和热量。该变型方案认识到，无需将整个分析器保持在最低温度即可获得与前述一些实施例近乎相同的结果。据此，这种变型方案试图减少低温头和辐射屏障的数目，同时仍维持样品处的XHV条件。为此，使用单个双级低温头2601或低温头2701，其中较冷的第二级(例如3K)热耦合到分析器的线性(直线)部分中的一个或多个分析器电极2602-a或电极2702-a以及该线性部分内带中间狭缝2610-a或2710的电极。第二级导热母排2604-a或其他导热路径可将低温头2601或2701的第二级热耦合到该线性部分中的电极2602-a或2702-a。
朝向检测器2605或检测器2705，双级低温头的第一级(例如45K)可热耦合到一个或多个电极2602-b或2702-b，它们是检测器一侧上带狭缝2610-a或2710的电极。这种连接可以通过导热母排2604-b或2704-b来建立。换言之，冷头的第二冷级可将第一组更靠近样品的一个或多个分析器电极(即，分析器电极2602-a或2702-a)冷却到第一温度，而低温头的第一级可将第二组更靠近检测器2605或2705的一个或多个分析器电极(即，分析器电极2602-b或2702-b)冷却到高于第一温度的第二温度。应当指出，低温头的第一级热耦合到第二组一个或多个电极2602-b或2702-b以及外辐射屏障2606或外辐射屏障2706。
这种变型方案无需冷却分析器半球部分中的电极2602-c，因为带狭缝2610-b的电极(或辐射屏障)会阻挡来大多数自半球部分的300K辐射，并泵送大多数试图从半球部分进入线性部分的粒子。
换言之，从样品可以看出，低温头的第二冷级可冷却到带狭缝2610-a或2710的电极的温度，以便几乎所有黑体立体角都在样品处受到阻挡。低温头的第一级(即温级)可再度如前述实施例那样冷却外辐射屏障2606或2706，但此时还冷却带狭缝2610-a或2710的电极之间的电极2602-b或2702-b，以及冷却带缝隙2610-b的电极(或辐射屏障)(半球版)或者检测器(飞行时间版)。在实施带狭缝2610-b的第二辐射屏障的情况下，第一级也可热耦合到该屏障。这种配置几乎与冷却每个元件同样有效，因为击中样品的唯一300K辐射和气体负荷必须穿过两个相距较远的窄缝，因此立体角极低(在半球变型方案中)，并且必须穿过一个与样品相距较远的窄缝(在TOF变型方案中)，因此立体角同样极低。
应当指出，低温头的第一级与更靠近检测器的第二组一个或多个电极2602-b或2702-b之间或者带狭缝2610-b的第二辐射屏障与第二组一个或多个电极2602-b或2702-b之间的导热路径位置可变，而不必与图26或图27中所示的位置相称。
如本文所用，表述“A、B和C中的至少一个”旨在表示“A、B、C或A、B和C的任何组合”。提供本公开实施例的前述记载使得本领域技术人员能够制造或使用本公开。本领域技术人员将容易理解对这些实施例的各种修改，在不脱离本公开的精神或范围的前提下，本文中定义的一般原理可应用于其他实施例。因此，本公开无意受限于本文示明的实施例，而是与符合本文公开的原理及新颖性特征的最广范畴相一致。

Claims (19)

1.一种超高真空或极高真空系统，包括：
真空室；
所述真空室内的靶标；
布置在所述真空室的内部真空空间内的两个或更多个重叠的辐射屏障，其中，所述两个或更多个重叠的辐射屏障围绕所述靶标的至少一部分；
第一冷却元件单元，其热耦合到所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第一辐射屏障，其中，所述第一冷却元件单元配置为将所述第一辐射屏障的温度降低到至少低于100K；
第二冷却元件单元，其热耦合到所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第二辐射屏障，其中，所述第二冷却元件单元配置为将所述第二辐射屏障的温度降低到至少低于25K；以及
第三冷却元件单元，其热耦合到所述靶标，所述第三冷却元件单元与所述第一辐射屏障和所述第二辐射屏障热隔离，其中，所述第三冷却元件单元配置为将所述靶标的温度降低到至少低于4K。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一冷却元件单元和所述第二冷却元件单元各自包括一个或多个冷头或者单个冷头的两级。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述两个或更多个辐射屏障个别地或组合地覆盖所述靶标周围至少90％的4π球面度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二辐射屏障包括：
附着至所述第二辐射屏障的内表面的吸附剂材料，其中，所述吸附剂材料配置为增加所述第二辐射屏障的有效表面积。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二冷却元件单元配置为将所述第二辐射屏障的温度降低到至少低于15K。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，在接通所述第一冷却元件单元之后的一段持续时间内，接通所述第二冷却元件单元，其中，所述持续时间是至少部分地基于所述真空室内的一种或多种气体的分压。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第三冷却元件单元是双级闭循环冷头，且其中，所述第三冷却元件单元的第一冷头热耦合到围绕所述靶标的第三辐射屏障，并且所述第三冷却元件单元的第二冷头热耦合到所述靶标。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第一冷头和所述第二冷头在不同的时间接通。
9.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括布置在所述真空室的内部真空空间内的一个或多个高磁导率屏障，其中，所述一个或多个高磁导率屏障围绕所述第一辐射屏障和所述第二辐射屏障。
10.一种用于超高真空或极高真空的方法，包括：
将两个或更多个重叠的辐射屏障设置在真空室的内部真空空间内，所述两个或更多个重叠的辐射屏障覆盖靶标周围至少90％的4π球面度；
将第一冷却元件单元热耦合到所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第一辐射屏障；
将第二冷却元件单元热耦合到所述两个或更多个重叠的辐射屏障中的第二辐射屏障；
将第三冷却元件单元热耦合到所述靶标，所述第三冷却元件单元与所述第一辐射屏障和所述第二辐射屏障热隔离；
将所述第一辐射屏障冷却到低于100K；
将所述第二辐射屏障冷却到低于25K；
将所述靶标冷却到低于4K；以及
通过所述第一辐射屏障和所述第二辐射屏障中的一个或多个孔径使细长工具与所述靶标相互作用，同时维持所述靶标周围至少90％的4π球面度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一冷却元件单元和所述第二冷却元件单元各自包括一个或多个冷头或者单个冷头的两级。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二辐射屏障包括吸附剂材料，所述吸附剂材料附着至所述第二辐射屏障的内表面。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述第二辐射屏障冷却到低于15K。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一冷却元件单元和所述第二冷却元件单元在不同的时间接通。
15.一种用于超高真空或极高真空的装置，包括：
真空室的内部真空空间内的两个或更多个重叠的辐射屏障，其中，所述两个或更多个重叠的辐射屏障围绕靶标的至少一部分，由此阻止大部分黑体辐射到达所述靶标；
用于将第一辐射屏障的温度降低到低于100K的机构；
用于将第二辐射屏障的温度降低到低于25K的机构；
用于将靶标的温度降低到低于4K的机构，且其中，用于降低靶标温度的机构与用于降低第一辐射屏障温度的机构和用于降低第二辐射屏障温度的机构两者皆热隔离；以及
用于通过第一辐射屏障和第二辐射屏障中的一个或多个孔径与靶标相互作用的机构。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第二辐射屏障在所述第二辐射屏障的内表面上包括吸附剂材料。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述用于降低第二辐射屏障温度的机构配置为将所述第二辐射屏障的温度降低到低于15K。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述用于降低第一辐射屏障温度的机构开启之后，所述用于降低第二辐射屏障温度的结构开启。
19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述孔径的形状设定为维持所述靶标周围至少90％的4π球面度辐射覆盖率。
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