CN213633236U

CN213633236U - 用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架

Info

Publication number: CN213633236U
Application number: CN202022579119.2U
Authority: CN
Inventors: 方键威; 王勇; 洪远志; 尉伟; 朱邦乐; 王一刚; 卞抱元
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2030-11-10

Abstract

本实用新型涉及一种用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，包括：样品、样品座、样品底板、压片、绝缘垫、法拉第筒、螺钉、塞块、低温冷屏、螺栓、固定板、过渡管、陶瓷管和液氦输液管；本实用新型兼顾超高真空和二次电子测试的前提下(本实用新型用于10^‑8Pa超高真空环境下，兼顾二次电子测试的条件下)，设计独特样品架结构使液氦流进样品座内部，实现样品4.7K低温，完成低温二次电子测试，同时本实用新型设计结构巧妙，操作简单，攻克导热、超高真空、电绝缘彼此限制。

Description

用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架

技术领域

本实用新型属于超高真空设备的低温领域，具体涉及一种用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架。

背景技术

超高真空技术目前广泛应用航空航天、量子信息、军事国防、高新技术等交叉学科领域和产业，超高真空技术给高新研究提供超清洁的实验环境。比如：纳米科技、表面处理、量子试验、高能粒子加速器、大规模集成电路等技术研究。

第四代同步辐射光源在建造过程中采用超高真空和低温超导技术，安装超导磁铁和超导腔等低温零部件，然而这些超高真空结构材料在低温时会产生大量二次电子，降低加速器束流亮度，更严重的话会出现热负载增加，造成超导系统失超和真空系统崩溃。设计超高真空低温二次电子测试样品架，借此测试研究超高真空材料的低温二次电子产额是未来加速器发展的首要工作。

现有的二次电子测试样品架仅适用单一测试方法，并且主要工作在300K-500K温度区间，高温来源于电阻丝工作产生的热量，工作温区无法满足超导低温，无法满足新一代加速器的发展趋势，不能测量材料低温二次电子发射产额，限制探索低温吸附气体条件下的二次电子发射机理。

实用新型内容

本实用新型技术解决方案：克服上述现有技术的缺点，提供一种用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，在兼顾超高真空和二次电子测试的前提下，设计独特样品架结构使液氦流进样品座内部，实现样品4.7K低温；且本实用新型结构简单，冷却高效，制造成本低，测试精度高。

本实用新型采用的技术方案如下：一种用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，包括样品、样品座、样品底板、压片、绝缘垫、法拉第筒、螺钉、塞块、低温冷屏、螺栓、固定板、过渡管、陶瓷管、液氦输液管；

压片定位样品，使样品处在正确的位置，压片在连接螺钉作用下夹紧样品，保证样品在测试工作中能够处在正确的位置而不产生位移偏差。

样品底板边缘刀口限制了行程极限，并能一次装夹A样品和B样品，分别用于电流法和法拉第筒法测试低温二次电子，能够在同一实验条件下，对比两种测试方法，即电流法和法拉第筒法测试结果。

样品座设计特殊的结构，样品座凸起内侧面的凹槽与样品座底板实现过渡配合，样品座凹槽处与绝缘垫过盈配合，再通过螺钉连接与法拉第筒，绝缘垫绝缘样品座与法拉第筒，两侧面钻4个Φ1.6mm的螺纹小孔，并在样品座内部加工一个Φ6mm的U型孔，形成液氦冷却回路。

A样品用于电流法测试低温二次电子，导线通过螺钉固定在样品座上；钣金工艺制成的无氧铜法拉第筒安装在B样品正上方，法拉第筒顶部冲压出Φ8mm的圆孔，电子枪与该孔同轴，电子束穿过该孔轰击低温样品表面，产生的二次电子由低温样品表面发射，被法拉第筒收集。

液氦在3-4PSI压力作用下，经液氦输液管、陶瓷管、过渡管流进样品座内，在对流换热作用下，样品座温度降温至4.7K，液氦气化成冷氦气，流回液氦零蒸发系统回收再利用。

进一步地，过渡管、陶瓷管、液氦输液管彼此之间，以及塞块和样品座之间用钎焊方式焊接在一起，满足超高真空密封性能的技术要求。

进一步地，陶瓷管电阻要求高于30MΩ，实现低温样品座与外界的电绝缘性。

进一步地，法拉第筒与样品座的连接处插入13×2×5mm绝缘垫，用螺钉固定法拉第筒在绝缘垫和样品座上。

进一步地，样品座四周的螺钉连接处引出2根电引线。

进一步地，低温冷屏和固定板在螺栓连接作用下压在过渡管上，包围样品座。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)本实用新型满足新一代加速器低温超导化的发展需求，能探索研究10^-8Pa超高真空低温环境下金属、功能性薄膜等材料二次电子发射产额。

(2)二次电子测试常用法拉第筒法和电流法两种方法，本实用新型设计的粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架能够在同一实验条件下，完成两种测试方法，并对比两种测试方法的结果。

(3)液氦直接流过样品座内部，对流换热，传热效率高；在样品座周围设立低温冷屏，减少热辐射，降低冷损和低温样品架整体漏热，实现样品4.7K低温。设计特殊样品座结构，适用在10^-8Pa超高真空环境，完成低温二次电子测试。本实用新型结构设计独特，加工简单，攻克导热、超高真空、电绝缘彼此制约的技术难题，满足对材料使用的特殊要求。

附图说明

图1为本实用新型的低温二次电子测试样品架三维结构示意图；

图2为样品座装配体三维结构示意图；

图3为样品座三维结构示意图；

图4为样品座剖视图。

附图标记如下：

1-低温冷屏、2-固定板、3-过渡管、4-液氦输液管、5-陶瓷管、6-螺栓、7-法拉第筒、8-圆孔；

9-塞块、10-样品座、11-绝缘垫、12-螺钉、13-压片、14-连接螺钉、15-B样品、16-A样品，17-样品底板边缘刀口、18-样品底板、19-螺钉；

20-样品座凸起、21-样品座凸起内侧面凹槽、22-样品座凹槽、23-螺纹小孔。

具体实施方式

结合以下附图，对本实用新型的具体实施方式作了进一步详细的描述，清晰明了地展现技术方案和优势。

如图1-图4所示，本实用新型一种用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试的样品架，包括A样品16、B样品15、样品座10、样品底板18、压片13、连接螺钉14、绝缘垫11、法拉第筒7、螺钉12、螺钉19、塞块9、低温冷屏1、固定板2、过渡管3、液氦输液管4、陶瓷管5和螺栓6。

15×15×0.5mm的A样品16和B样品15，在压片13和连接螺钉14的作用下定位夹紧于样品底板18上，样品底板18两侧与样品座凸起内侧面的凹槽21配合限制横向移动，样品底板边缘刀口17卡住样品座凸起20限制了样品架纵向移动，使样品底板18上的A样品16和B样品15能处在正确的位置，避免在测试过程中电子束轰击作用下产生相对位移；螺钉19连接电引线用于电流法中采集电流信号；样品座凹槽22与绝缘垫11过盈配合，法拉第筒7通过螺钉12连接绝缘垫11在样品座10，实现法拉第筒法的低温二次电子测试，绝缘垫11的设置能够有效地从法拉第筒7上采集电流信号；在样品座10内部加工一个Φ6mm的U型孔，Φ6mm，高度为5mm的塞块9与样品座10过盈配合，用钎焊方式填充配合间隙，实现样品座10内部液氦冷却回路；过渡管3、液氦输液管4均由无氧铜制造，外径为6mm，内径4mm；过渡管、陶瓷管、液氦输液管彼此之间，用钎焊方式焊接在一起，满足超高真空密封性能的技术要求；通过钣金工艺制成法拉第筒7，具有良好导电性，法拉第筒7整体外观为矩形，内部空心，薄壁厚度为0.5mm，安置于B样品15正上方，尽可能地收集发射出的全部二次电子，法拉第筒7顶部冲压出直径Φ8mm的圆孔8；低温冷屏1包围在样品座前、后、下、右四个面，并通过螺栓6连接固定板2压在过渡管3上。

本实用新型的具体工作过程为：

将低温二次电子测试样品架放置于10^-8Pa真空环境下，在3-4PSI压力作用下，液氦经液氦输液管4、陶瓷管5、过渡管3流入样品座10内部，在热交换的作用下，液氦逐渐气化成冷氦气，再经过渡管3、陶瓷管5、液氦输液管4释放在大气中；

样品座10与流动的液氦直接接触，经过对流换热，只需20分钟即可降温至4.7K超导低温，样品座10、样品底板18均有无氧铜制成，具有良好的导热性。

本实用新型实例提供一种用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，在兼顾超高真空和二次电子测试的前提下(用于10^-8Pa超高真空环境下，兼顾二次电子测试的条件下)，设计独特样品架结构使液氦流进样品座内部，实现样品4.7K低温，完成低温二次电子测试，同时本实用新型设计结构巧妙，操作简单，攻克导热、超高真空、电绝缘彼此限制。

提供以上实施例仅仅是为了描述本实用新型的目的，而并非要限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由所附权利要求限定。不脱离本实用新型的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本实用新型的范围之内。

Claims

1.一种用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，其特征在于：包括：样品、样品座、样品底板、压片、绝缘垫、法拉第筒、螺钉、塞块、低温冷屏、螺栓、固定板、过渡管、陶瓷管和液氦输液管；

压片定位样品，使样品处在正确的位置；

连接螺钉连接压片固定样品在样品底板上；

样品底板边缘刀口限制样品底板行程极限，并一次装夹A样品和B样品；

样品座设计特殊的结构，所述特殊的结构包括凸起、凹槽、内部U型回路；凸起内侧面的凹槽与样品座底板实现过渡配合，样品座凹槽处与绝缘垫过盈配合，再通过螺钉连接与法拉第筒，绝缘垫绝缘样品座与法拉第筒，样品座两侧钻螺纹小孔，并在样品座内部加工U型孔，形成液氦冷却回路；

A样品用于电流法测试低温二次电子，导线通过螺钉固定在样品座上；钣金工艺制成的无氧铜法拉第筒安装在B样品正上方，法拉第筒的顶部冲压出的圆孔，电子枪与该圆孔同轴，电子束穿过该圆孔轰击低温样品表面，产生的二次电子由低温样品表面发射，被法拉第筒收集；

低温冷屏连接固定板，压在过渡管上。

2.根据权利要求1所述的用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，其特征在于：所述过渡管、陶瓷管和液氦输液管之间，以及塞块和样品座之间用钎焊方式焊接在一起。

3.根据权利要求1所述的用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，其特征在于：所述陶瓷管电阻高于30MΩ。

4.根据权利要求1所述的用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，其特征在于：所述法拉第筒与样品座的连接处插入绝缘垫，法拉第筒用螺钉固定在绝缘垫和样品座上。

5.根据权利要求1所述的用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，其特征在于：所述样品座四周的螺钉连接处引出两根电引线。

6.根据权利要求1所述的用于粒子加速器真空结构材料的低温二次电子测试样品架，其特征在于：所述低温冷屏和固定板在螺栓连接作用下压在过渡管上，包围样品座。