CN214150429U - 集成式超低振动闭循环显微红外测试系统 - Google Patents

Abstract

一种集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，包括：制冷机恒温器、气体处理装置、传输管线、低温恒温器、平移台、光学平台、显微镜、支撑架、控温仪；氦气经过制冷机后成为液氦，经由传输管线到达低温恒温器的导入口，通过热传导的方式将冷量传递到样品上。本实用新型的制冷机和低温恒温器相互独立，通过传输管线相连，氦气在制冷机和低温恒温器内可循环利用，液氦经由传输管线进入低温恒温器，避免制冷机工作时产生的振动传递到样品上，进而使低温恒温器保持较好的稳定性，同时使得样品变温范围可达＜2K‑500K；制冷机恒温器、气体处理装置集成在支撑架上，便于移动、节省空间。

Description

集成式超低振动闭循环显微红外测试系统

技术领域

本实用新型属于低温显微红外物理实验装置技术领域，具体地，涉及一种集成式超低振动闭循环显微红外测试系统。

背景技术

显微红外测试是结合显微镜成像技术，利用材料对红外光谱的吸收特性对物质展开研究的一种方法，在凝聚态物理、材料性质、生命科学、医学、环境、古生物学研究等领域有非常广泛的应用。由于温度对测试结果影响较大，常引入低温环境来降低电子器件的噪声，从而获得好的信噪比。

目前低温环境下的显微红外测试受到振动水平的限制，大多采用具有低振动水平的开环式低温装备，即采用连续流液氦对样品进行降温。由于我国是一个缺少氦的国家，国内液氦的价格非常高，这就增加了科研投入成本。

闭循环低温获取系统能够在不消耗液氦的情况下，通过制冷机进行制冷，循环利用氦气对样品进行持续降温。这种降温模式，只需要消耗电能即可达到目标温度，操作简单，有效降低运行成本，但是闭循环制冷机的振动太大，不能直接与对振动敏感的显微镜匹配使用。

基于以上现状，亟需一种新型的低振动闭循环低温装备来解决显微红外测试领域面临的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，系统采用无液氦分体式设计，在不需要消耗液氦的情况下，利用制冷机给低温恒温器降温，并采用传输管线将液氦从制冷机导入到低温恒温器，有效消除了制冷机工作时产生的振动对低温恒温器的影响。制冷机和气体处理装置集成于支撑架上，便于移动、节省空间。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，包括：制冷机恒温器、气体处理装置、传输管线低温恒温器、平移台、光学平台、显微镜、支撑架、控温仪，其特征在于：

制冷机恒温器、气体处理装置自上而下集成在支撑架上；

平移台、显微镜以及控温仪分别设在光学平台上；

低温恒温器设在平移台上，且与控温仪连接；

制冷机恒温器、气体处理装置以及低温恒温器之间分别通过传输管线两两连接，形成闭合的循环结构。

本实用新型还进一步采用以下优选技术方案：

传输管线具有同心结构，由外而内依次为不锈钢编织层、不锈钢毛细管；

不锈钢编织层和毛细管之间为真空夹层；

在传输管线内部的不锈钢毛细管外壁上，包裹有多层绝热膜。

制冷机恒温器外部设置JT阀旋钮、进气口、抽气口及出气口；

JT阀旋钮设在制冷机恒温器的最上方；并且通过连杆与设在制冷机恒温器内部的JT阀连接；

在JT阀旋钮的两侧，分别设有进气口和抽气口；

进气口通过传输管线与气体处理装置连接；

进气口处设有能够实时监测闭合气体回路内的压力的压力传感器；

抽气口通过波纹管与外部真空泵相连；

出气口设在制冷机恒温器的最下方，通过气体管路与进气口连通；

出气口通过传输管线与低温恒温器连接。

气体处理装置包括储气罐、真空泵组、氦气管线和阀门；

储气罐和真空泵组通过氦气管线相连；

氦气管线为不锈钢柔性管线；

储气罐为不锈钢材质，内部存储氦气，顶部设有阀门；

阀门根据压力传感器的数值进行有选择地开、闭，当压力值低于预设范围时，打开阀门，补充氦气；

在真空泵组的出气口处，设有用于对即将进入制冷机恒温器的氦气进行过滤的分子筛组件。

控温仪通过电学引线与设置在低温恒温器内部的温度计、加热器相连。

低温恒温器包括导入口、导出口、仪表群、真空罩、冷屏、光学窗口以及样品托；

在低温恒温器的最上方，分别设有导入口、导出口；

导入口与制冷机恒温器的出气口通过传输管线相连；

导出口与气体处理装置的真空泵组通过传输管线相连；

在导入口和导出口的下方设有仪表群；

低温恒温器通过该仪表群分别连接外部抽真空泵、控温仪；

仪表群下部与真空罩上部通过O圈及卡箍进行连接、固定；

真空罩、冷屏由外而内依次安装；

在低温恒温器的最下方，设有两个对称光学窗口；

样品托位于两个光学窗口之间。

仪表群上安装有安全阀、抽真空口、电学接头和备用盲板口；

安全阀在由真空罩构成的真空腔内的压力高于预设值时，自动弹开；

抽真空口与外部真空泵连接；

电学接头一端连接低温恒温器内部的温度计、加热器，另一端连接控温仪；

备用盲板口用于增加电学引线。

电学接头内连设在低温恒温器内部样品托上的温度计、加热器，外连控温仪。

低温恒温器通过平移台设在光学平台上时，光学窗口对准显微镜的物镜。

光学窗口采用下沉式设计，在两侧对称安装，且窗口安装有红外波段窗片。

样品托中心与光学窗口中心位于同一条直线上。

本实用新型具有以下技术效果：

本实用新型采用无液氦分体式设计，在无需消耗液氦的情况下，利用制冷机给低温恒温器进行降温，配合高精度控温系统，保证了低温恒温器变温范围＜2K-500K，温度稳定性好于±30mK。带有真空夹层的传输管线将液氦从制冷机导入到低温恒温器，避免了制冷机与低温恒温器直接相连，有效阻隔制冷机工作时产生的振动传递到低温恒温器，保证了恒温器的振动水平＜25nm。制冷机和气体处理装置自上而下集成在同一个支撑架上，有效利用空间，便于移动。该测试系统具有高集成化、超低振动和漂移、不需要消耗液氦的特点。

附图说明

图1是本实用新型装置的斜视图。

图2是本实用新型装置制冷机恒温器正视图。

图3是本实用新型装置低温恒温器的仰视图。

其中，1.制冷机恒温器 2.气体处理装置3.传输管线4.低温恒温器5.平移台6.光学平台7.显微镜8.支撑架9.控温仪 10.JT阀旋钮11.进气口12.抽气口13.出气口 14.阀门15.储气罐16.真空泵组17.氦气管线18.导入口19.导出口20.仪表群21.安全阀22.盲板口23抽真空口24.电学接头25.真空罩26.冷屏27.光学窗口28.分子筛组件29.压力传感器30.样品托。

具体实施方式

现将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是本实用新型装置的斜视图；图2是本实用新型装置制冷机恒温器正视图；图3是本实用新型装置低温恒温器的仰视图。

如图1所示，本实用新型的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统包括：制冷机恒温器1、气体处理装置2、传输管线3、低温恒温器4、平移台5、光学平台6、显微镜7、支撑架8、控温仪9。

其中，制冷机恒温器1、气体处理装置2及低温恒温器4通过传输管线3相连，构成闭合循环回路。

制冷机恒温器1、气体处理装置2自上而下集成在支撑架8上，并且通过传输管线3连接。支撑架8带有可移动和锁定的脚轮，可根据实验场所需要进行移动。

在制冷机恒温器1的外部设置分别JT阀旋钮10、进气口11、抽气口12及出气口13。

具体地，在制冷机恒温器1的最上方，设有JT阀旋钮10，JT阀旋钮10通过连杆连接设置在制冷机恒温器1内部的JT阀，通过调节JT阀旋钮10来控制JT阀处的液氦流量，即，利用节流效应调节液氦的温度。在JT阀旋钮10的旁边各单独安装进气口11和抽气口12。其中，进气口11通过传输管线3与气体处理装置2连接，即，气体处理装置2中的氦气通过该进气口11进入到制冷机恒温器1，利用其内部的冷量对氦气进行降温；进气口11处设有压力传感器29，可实时监测闭合气体回路内的压力；抽气口12通过不锈钢波纹管与单独一台真空泵连接，对真空腔内进行抽气，使得真空腔内部保持高真空状态。

在制冷机恒温器1的最下方，设有出气口13,进气口11与出气口13之间通过气体管路连通，气体管路由不锈钢毛细管组成，且该出气口13通过传输管线3与低温恒温器4的导入口连接。

其中，传输管线3用于传输液氦或者氦气，具体为同心结构，外部为不锈钢编织层，起到保护作用；中间为真空夹层，用于阻挡室温热辐射；内部为直径0.1~5mm的不锈钢毛细管，用于真正传输液氦或氦气。不锈钢毛细管外壁包裹多层绝热膜，优选为10~50层。

气体处理装置2由储气罐15、真空泵组16、氦气管线17和阀门14组成。储气罐15可存储一定量的氦气，通过控制上部阀门14的开关，在必要时对循环管路补充氦气。在本实用新型的一个实施例中，当进气口11处的压力传感器29检测到闭合气体回路内的气压值低于预设范围时，打开阀门14，对循环管路进行补气。优选地，在本实用新型中，当压力传感器29检测到闭合气体回路内的气压值低于3PSI时，打开阀门14。

真空泵组16通过氦气管线17与储气罐15连接。优选地，该氦气管线17为不锈钢柔性管线。

真空泵组16为整个循环管路提供动力，并且，在真空泵组16的出气口处，安装有分子筛组件28，该分子筛组件28可对进入制冷机恒温器的氦气进行“洗气”，过滤掉氦气中的杂质，防止进入制冷机后堵塞其内部的气体管路。

优选地，在本实用新型的一个实施例中，储气罐15由不锈钢材质制造；真空泵组16可为无油干泵，为氦气循环提供动力。

控温仪9通过电学引线与设置在低温恒温器4内部的温度计、加热器相连，通过温度控制程序对样品处温度进行变温和控温。

低温恒温器4设在光学平台6的平移台5上；显微镜7设在光学平台6上。在本实用新型的一个实施例中，平移台6为三维可调式，通过调节手轮改变低温恒温器4位置，使样品位于红外显微镜合适视野内。

如图1、2所示，低温恒温器4包括导入口18、导出口19、仪表群20、真空罩25、冷屏26、光学窗口27以及样品托30。其中，导入口18与制冷机恒温器1通过传输管线3相连。具体地，经制冷机恒温器1的出气口13流出的液氦通过传输管线3和导入口18再次流入到低温恒温器4中。

并且，两个光学窗口27采用下沉式对称设计，缩短了样品到显微镜的距离，窗口安装有红外波段窗片。低温恒温器4设在平移台5上时，光学窗口27设在显微镜7物镜的下方。

导出口19与气体处理装置2的真空泵组16通过传输管线3相连，使得低温恒温器降温汽化后的氦气通过导出口19返回到气体处理装置2中。

导出口19的下方设有仪表群20，在该仪表群20上安装有安全阀21、带阀门的抽真空口23、电学接头24以及盲板口22。具体地，安全阀21可在真空腔内压力高于4psi时弹开，保护人员和设备安全；抽真空口23与外部单独的一台真空泵连通，对真空腔进行抽真空操作；电学接头24内连设在低温恒温器4内部样品托30上的温度计、加热器，外连控温仪9，能够根据需求对样品进行变温和控温；备用盲板口31可根据需求增加电学引线。

仪表群20下部与真空罩25上部通过O圈、卡箍相连。在真空罩25的内部设有冷屏26。其中，真空罩25为不锈钢材质，内部为真空腔，冷屏26为高抛光铝，可有效减少室温热辐射。

如图3所示，为低温恒温器4的仰视图，样品托30位于两个光学窗口27之间，且该样品托30中心与光学窗口27中心位于同一条直线上，装载待测样品。

在本实用新型的一个实施例中，样品托30为实心结构，由镀金无氧铜制成，通过上方的红外显微镜对样品进行观测。此外，样品托30还可为透射式，即中空结构，两个光学窗口附近设置显微镜镜头。

所述系统工作时，首先对低温恒温器4和制冷机恒温器1进行抽真空，打开低温恒温器4抽真空阀门和制冷机恒温器1抽气口阀门，对低温恒温器4和制冷机恒温器1进行抽真空，直至真空度达到10^-6mbar（仍继续保持抽真空）。其次，关闭储气罐15上部的阀门，开启气体处理装置2的真空泵组16，对制冷机恒温器1、气体处理装置2和低温恒温器4构成的闭合循环管路进行“洗气”，反复充气、抽气，保证循环管路内氦气的纯净。系统运行过程中，可根据需要打开储气罐15上部阀门对循环管路进行补气。“洗气”完毕后开启控温仪9、制冷机恒温器1，待制冷机恒温器1在低温状态下稳定后，调节JT阀旋钮10，进行进一步降温，直至低温恒温器达到最低温。最后，低温恒温器4达到最低温后，调节平移台5的手轮和显微镜7镜头，对样品进行定位开始试验。此外，可根据实验需求利用控温仪9对样品处温度进行变温和控温，由于热胀冷缩效应，在实验过程中可微调平移台手轮和显微镜7，保持样品始终处于显微镜的合适视野内。

本实用新型采用无液氦分体式设计，在无需消耗液氦的情况下，利用制冷机给低温恒温器进行降温，配合高精度控温系统，保证了低温恒温器变温范围＜2K-500K，温度稳定性好于±30mK。带有真空夹层的传输管线将液氦从制冷机导入到低温恒温器，避免了制冷机与低温恒温器直接相连，有效阻隔制冷机工作时产生的振动传递到低温恒温器，保证了恒温器的振动水平＜25nm。制冷机和气体处理装置自上而下集成在同一个支撑架上，有效利用空间，便于移动。该测试系统具有高集成化、超低振动和漂移、不需要消耗液氦的特点。

虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，包括：制冷机恒温器（1）、气体处理装置（2）、传输管线（3）、低温恒温器（4）、平移台（5）、光学平台（6）、显微镜（7）、支撑架（8）、控温仪（9），其特征在于：

制冷机恒温器（1）、气体处理装置（2）自上而下集成在支撑架（8）上；

平移台（5）、显微镜（7）以及控温仪（9）分别设在光学平台（6）上；

低温恒温器（4）设在平移台（5）上，且与控温仪（9）连接；

制冷机恒温器（1）、气体处理装置（2）以及低温恒温器（4）之前分别通过传输管线（3）两两连接，形成闭合的循环结构。

2.根据权利要求1所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

传输管线（3）具有同心结构，由外而内依次为不锈钢编织层、不锈钢毛细管；

不锈钢编织层和毛细管之间为真空夹层；

在传输管线（3）内部的不锈钢毛细管外壁上，包裹有多层绝热膜。

3.根据权利要求1或2所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

制冷机恒温器（1）外部设置JT阀旋钮（10）、进气口（11）、抽气口（12）及出气口（13）；

JT阀旋钮（10）设在制冷机恒温器（1）的最上方；并且通过连杆与设在制冷机恒温器（1）内部的JT阀连接；

在JT阀旋钮（10）的两侧，分别设有进气口（11）和抽气口（12）；

进气口（11）通过传输管线（3）与气体处理装置（2）连接；

进气口（11）处设有能够实时监测闭合气体回路内压力的压力传感器（29）；

抽气口（12）通过波纹管与外部真空泵相连；

出气口（13）设在制冷机恒温器（1）的最下方，通过气体管路与进气口（11）连通；

出气口（13）通过传输管线（3）与低温恒温器（4）连接。

4.根据权利要求3所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

气体处理装置（2）包括储气罐（15）、真空泵组（16）、氦气管线（17）和阀门（14）；

储气罐（15）和真空泵组（16）通过氦气管线（17）相连；

氦气管线（17）为不锈钢柔性管线；

储气罐（15）为不锈钢材质，内部存储氦气，顶部设有阀门（14）；

阀门（14）根据压力传感器（29）的数值进行有选择地开、闭，当压力值低于预设范围时，打开阀门，补充氦气；

在真空泵组（16）的出气口处，设有用于对即将进入制冷机恒温器（1）的氦气进行过滤的分子筛组件（28）。

5.根据权利要求1所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

控温仪（9）通过电学引线与设置在低温恒温器（4）内部的温度计、加热器相连。

6.根据权利要求1或2所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

低温恒温器（4）包括导入口（18）、导出口（19）、仪表群（20）、真空罩（25）、冷屏（26）、光学窗口（27）以及样品托（30）；

在低温恒温器（4）的最上方，分别设有导入口（18）、导出口（19）；

导入口（18）与制冷机恒温器（1）的出气口（13）通过传输管线（3）相连；

导出口（19）与气体处理装置（2）的真空泵组（16）通过传输管线（3）相连；

在导入口（18）和导出口（19）的下方设有仪表群（20）；

低温恒温器（4）通过该仪表群（20）分别连接外部抽真空泵、控温仪（9）；

仪表群（20）下部与真空罩（25）上部通过O圈及卡箍进行连接、固定；

真空罩（25）、冷屏（26）由外而内依次安装；

在低温恒温器（4）的最下方，设有两个对称光学窗口（27）；

样品托（30）位于两个光学窗口（27）之间。

7.根据权利要求6所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

仪表群（20）上安装有安全阀（21）、抽真空口（23）、电学接头（24）和备用盲板口（22）；

安全阀（21）在由真空罩（25）构成的真空腔内的压力高于预设值时，自动弹开；

抽真空口（23）与外部真空泵连接；

电学接头（24）一端连接低温恒温器（4）内部的温度计、加热器，另一端连接控温仪（9）；

备用盲板口（22）用于增加电学引线。

8.根据权利要求7所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

电学接头（24）内连设在低温恒温器（4）内部样品托（30）上的温度计、加热器，外连控温仪（9）；

低温恒温器（4）通过平移台（5）设在光学平台（6）上时，光学窗口（27）对准显微镜（7）的物镜。

9.根据权利要求8所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

光学窗口（27）采用下沉式设计，在两侧对称安装，且窗口安装有红外波段窗片。

10.根据权利要求7所述的集成式超低振动闭循环显微红外测试系统，其特征在于：

样品托（30）中心与光学窗口（27）中心位于同一条直线上。

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