CN220231585U - 一种低温磁场探针台导冷结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种低温磁场探针台导冷结构，包括外腔、内腔、冷源组件、导冷组件、控制组件、第一负载、第二负载，所述冷源组件包括截面宽度依次减小并依次设置的第一段、第二段、第三段，所述内腔设置于所述外腔内侧，所述外腔于与所述第一段密闭连接并形成密闭腔体，所述内腔与所述第二段密闭连接并形成腔体，所述导冷组件、第一负载、第二负载分别设置于所述内腔内侧，通过控制并调整导冷路径，实现低温磁场探针台内样品座在不同温区的温度控制，拓展了探针台的使用温度范围；此外，还能够根据实际需要调整冷量传递路径，优化内部冷量分配。

Description

一种低温磁场探针台导冷结构

技术领域

本实用新型属于物理及半导体测试技术领域，涉及一种探针台，具体地，涉及一种低温磁场探针台的样品冷却结构。

背景技术

探针台测试设备是一种应用广泛的非破坏性测试手段，可用于物理及半导体领域的测试。磁场探针台测试系统进一步提供了磁场环境，使得探针台测试设备可以进一步研究被测材料或器件在磁场下的性能表现及特性，其典型应用包括磁学、自旋电子学、半导体物理与器件、量子器件等。在某些情形下，需要测试被测样品在低温下的性能表现，以进一步了解被测样品的性能。此时，需要对被测样品进行冷却，以使其温度达到测试所需的温度。

由于需要对被测样品的温度进行控制，现有技术一般将被测样品放置于腔体结构中，冷源向被测样品传递冷能，以使被测样品达到预设低温。当磁场发生装置为超导磁体时，需要使超导磁体达到相应温度，因而部分现有技术中通过相互独立的冷源分别冷却被测样本和超导磁体，成本较高。

为了降低成本，部分现有技术采用同一冷源对被测样本和超导磁体进行冷却，由于被测样本与超导磁体之间会经导冷结构产生温度上的相互影响，容易使超导磁体温度高于第二预设温度而失超，或使被测样本的温度无法维持于相对较高的第一预设温度，大大限制了被测样本的温度范围，极大地限制了低温磁场探针台的使用范围。

实用新型内容

针对现有技术存在的被测样本的温度范围受限的问题，本实用新型提供了一种低温磁场探针台导冷结构，在只使用一路制冷机作为冷源的前提下，针对样品所需不同温区，通过切换导冷路径，使第二负载在低温模式下从冷源组件或第一负载取冷，在中温模式下从分隔板处取冷，在高温模式下仅以与其他低温部件间的辐射作为冷源，配合控温组件实现目标温度的实现与控制。具体结构包括外腔、内腔、冷源组件、导冷组件、控制组件、第一负载、第二负载，所述冷源组件包括截面宽度依次减小并依次设置的第一段、第二段、第三段，所述内腔设置于所述外腔内侧，所述外腔于与所述第一段密闭连接并形成密闭腔体，所述内腔与所述第二段密闭连接并形成腔体，所述导冷组件、第一负载、第二负载分别设置于所述内腔内侧；所述内腔设置有分隔板，所述导冷组件包括导冷板，所述控制组件包括第二导冷接口、第三导冷接口、操作端、切换部，所述导冷板设置有第一导冷接口，所述导冷板与所述第二导冷接口导冷连接，所述分隔板与所述第三导冷接口导冷连接，所述第一导冷接口与所述冷源组件导冷连接，所述第一负载与所述导冷板导冷连接，所述操作端与所述切换部传动连接，所述操作端设置于所述外腔的外侧，所述第二负载与所述切换部导冷连接，所述切换部被配置为能够在以下位置间切换：

第一位置：所述切换部与所述第二导冷接口面接触，与所述第三导冷接口之间设置有间隙；

第二位置：所述切换部与所述第二导冷接口、第三导冷接口之间均设置有间隙；

第三位置：所述切换部与所述第三导冷接口面接触，与所述第二导冷接口之间设置有间隙。

优选地，所述导冷组件、第一负载、第二负载设置于所述分隔板的同侧。

优选地，所述导冷组件还包括外冷屏，所述第一负载与所述导冷板面接触，所述外冷屏与所述导冷板连接，所述外冷屏至少部分地包围所述第一负载。

优选地，所述导冷组件还包括内冷屏，所述内冷屏固定于所述分隔板，所述内冷屏设置于所述第一负载、第二负载之间。

优选地，所述第二导冷接口、第三导冷接口之间相对间隔设置，所述切换部设置于所述第二导冷接口、第三导冷接口之间。

优选地，所述分隔板设置有通孔，所述第一导冷接口与所述冷源组件通过导冷链导冷连接，所述导冷链穿过所述通孔。

优选地，所述切换部与所述操作端之间设置有螺柱，所述螺柱穿过所述内腔、外腔并与所述操作端固定连接，所述螺柱与所述外腔螺纹连接。

优选地，所述外腔、内腔分别设置有相匹配的探针口。

进一步优选地，所述外腔还包括探针口盖板，所述探针口盖板与所述外腔的所述探针口密封连接。

优选地，所述外腔设置有观察窗；所述内腔设置观察窗；所述外腔、内腔的所述观察窗的位置相互正对。

本实用新型至少具有以下有益效果：通过操作端控制切换部在第一位置、第二位置、第三位置之间切换，从而在多种导冷模式下切换，大大方便了低温磁场探针台的温度控制，拓宽了探针台的使用范围；此外，可以在不增加另一路制冷机的基础上，实现样品温度和超导磁体温度的独立控制，降低设备冗余，减少成本。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施方式的整体结构示意图。

图2为图1所示实施方式的截面图。

图3为图2所示实施方式的A部放大图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

请参阅图1至图3，本实用新型提供了一种低温磁场探针台导冷结构，包括外腔100、内腔200、冷源组件300、导冷组件400、控制组件600、第一负载、第二负载。具体地，在本实施例中，第一负载可以为磁场发生装置，例如电磁线圈701；第二负载可以为样品支撑装置，例如样品台500。为了对电磁线圈701进行供电，还可以根据需要，设置相应的磁场发生控制装置702，以对如电磁线圈701的磁场发生装置进行控制、调节等。

所述冷源组件300包括截面宽度依次减小并依次设置的第一段301、第二段302、第三段303，作为一种可行的方案，请参阅图2，冷源组件300为阶梯台状，尤其是一种阶梯圆台。前述的冷源组件300的第一段301、第二段302、第三段303主要指的是其形状上的特征，而非其功能上的特点，可以根据实际需要，使第一段301、第二段302、第三段303分别具有不同的功能。例如，可以在第一段301设置制冷机，第二段302仅作为连接结构，303作为冷头；或在第一段301设置制冷机301，第二段302设置次级冷头，第三段303设置初级冷头，即在第二段302、第三段303均设置冷头，区别在于冷头的级别不同，例如，冷头的温度不同；还可以在第一段301处设置配重组件，第二段302设置制冷机，第三段303设置冷头。在本实施例中，采用在第一段301设置制冷机，第二段302设置次级冷头，第三段303设置初级冷头的方式。

请参阅图2，内腔200设置于外腔100内侧，外腔100与第一段301密闭连接并形成密闭腔体。请参阅图2，外腔100与第一段301的连接有第二段302的一侧的端面连接，可以通过法兰等连接结构进行连接，还可以根据需要，在连接处设置密封圈等装置以保证密闭性。内腔200设置于外腔100于第一段301形成的密闭腔体内侧，并与第二段302连接，具体连接位置可以根据实际需要进行选择，例如，如图2所示，可以使内腔200与第二段302的连接有第三段303的一侧的端面连接，从而形成嵌套的腔体结构。需要注意的是，内腔200与第二段302形成的腔体，位于外腔100与第一段301形成的密闭腔体内侧，因而内腔200与第二段302形成的腔体已与外腔100外部环境相分隔，对内腔200与第二段302形成的腔体的密闭性无特殊要求，例如，可以不形成密闭腔体，而是作为部分位置开放或开口的腔体。

请参阅图2、图3，导冷组件400、第一负载、第二负载分别设置于内腔200内侧，例如，使导冷组件400、样品台500、电磁线圈700位于内腔200内侧。内腔200设置有分隔板206，将内腔200分隔为上部201、下部202。导冷组件400包括导冷板401，控制组件包括第二导冷接口601、第三导冷接口602、切换部603、操作端605，导冷板401设置有第一导冷接口402，导冷板401与第二导冷接口601导冷连接，分隔板206与第三导冷接口602导冷连接。第一导冷接口402与冷源组件300导冷连接，第一负载与导冷板401导冷连接。导冷接口402、601与导冷板401之间可以为一体成型，也可以通过其他方式连接，导冷接口402、601与导冷板401之间尤其具有较高的热传递效率，即导冷效率，例如，使导冷接口402、601与导冷板401之间面接触并连接。第三导冷接口602与分隔板206之间，可以为一体成型，也可以通过其他方式连接，导冷接口602与分隔板206之间尤其具有较高的热传递效率，即导冷效率，例如，导冷接口602与分隔板206之间面接触并连接。请参阅图3，示出了一种导冷接口402、601、602与相应组件的连接方式，其中，第一导冷接口402与导冷板401为一体成型的整体组件，第二导冷接口601与导冷板401之间为面接触的固定连接，第三导冷接口602与分隔板206之间为面接触的固定连接，并具有较高的导冷效率。

控制组件包括操作端605、切换部603，操作端605与切换部603传动链接，用以通过操作端605控制切换部603的位置变动，并使切换部603的位置处于第一位置、第二位置、第三位置的其中之一。为了便于操作，操作端605设置于外腔100的外侧。第二负载与切换部603导冷连接，例如，在本实施例中，样品台500与切换部603导冷连接，更具体地，样品台500与切换部603之间设置有导冷链604，导冷链604的两端分别与样品台500、切换部603导冷连接。

切换部603被配置为能够在第一位置、第二位置、第三位置间切换。

具体地，第一位置时，切换部603与第二导冷接口601面接触，与第三导冷接口602之间设置有间隙。此时，导冷板401与冷源组件300导冷连接，导冷板401通过第二导冷接口601与切换部603连接，由于切换部603与第二负载导冷连接，导冷板401与第一负载导冷连接，此时第一负载、第二负载之间经由导冷板401、第二导冷接口601、切换部603形成了冷能传递路径，以及冷源组件300、第二负载之间经由第一导冷接口402、导冷板401、第二导冷接口601、切换部603形成了冷能传递路径，且通过第三导冷接口602之间设置的间隙，大体上切断了冷能传递路径与分隔板206之间的冷能传递，此时，可以通过冷源组件300向第一负载、第二负载传递冷能，也可以通过第一负载、第二负载之间相互传递冷能，适用于相应的需求，例如，被测样本所需的温度较低的情形。更具体地，请参阅图3，在本实施例中，第一负载电磁线圈701与样品台500之间传递冷能，例如，电磁线圈701为超导线圈，温度低于样品台500的温度时，借助电磁线圈701的温度，为样品台500降温，从而使样品台500达到预设的温度，例如较低的预设温度；或使冷源组件300同时向电磁线圈701、样品台500提供冷能，对电磁线圈701、样品台500降温以达到预设的温度，此时样品台500实际上处于导冷链路的末端，其接收到的冷能的量相对较少，电磁线圈701处于导冷链路的中部，接收到的冷能的量相对较多，结合环境温度或其他相关设备的温度，可以使电磁线圈701的温度相较于样品台500更低，以便在实际使用时满足二者的不同的温度需求，例如，电磁线圈701所需的超导温度一般低于样品台500所需的温度，且样品台500所需的温度较低时。通过该方式，可以实现在同一链路上控制两个负载的温度，或利用负载的其中之一对另一负载进行温度控制，使样品在低温和中温的模式下能够从冷源组件300或导冷板401处取冷，节约了结构和冷能。

第二位置时，切换部603与第二导冷接口601、第三导冷接口602之间均设置有间隙。在此情形下，第一负载、第二负载之间的导冷路径被间隙隔断，使得第一负载、第二负载相对独立。例如，请参阅图3，电磁线圈701与样品台500之间无连通的导冷路径，二者的温度大体上相互独立，从而实现切断冷源的效果，仅以与其他低温部件间的辐射作为冷源，以实现样品台500所需的较高的预设温度。

第三位置时，切换部603与第三导冷接口602面接触，切换部603与第二导冷接口601之间设置有间隙，从而使得第一负载与第二负载之间被切换部603与第二导冷接口601之间的间隙分隔并切断第一负载与第二负载之间的导冷路径，第二负载通过切换部603与分隔板206导冷连接，进而使得第二负载与分隔板206的温度相近，即与内腔200的温度大体相近，第一负载电磁线圈701通过导冷板401、第一导冷接口402与冷源组件300导冷连接，第二负载样品台500通过切换部603从分隔板206处获取冷源，实现了对第一负载电磁线圈701的单独制冷，并使得第二负载样品台500从分隔板206取冷以满足在前述的较低预设温度与较高预设温度之间的中间预设温度的情形下的冷能需求。

前述的导冷路径中，主要通过导冷结构进行导冷，导冷效率快，大大加快了温度控制速度，进而提高了探针台的使用效率。通过操作端605控制切换部603在第一位置、第二位置、第三位置之间切换，针对样品所需不同温区，在多种导冷模式下切换，使样品在低温模式下从冷源组件300或超导线圈701处取冷，在中温模式下从分隔板206处取冷，在高温模式仅以与其他低温部件间的辐射作为冷源，配合控温组件实现目标温度的实现与控制，大大方便了低温磁场探针台的温度控制，提高了探针台的使用范围，无需增加冷源组件300，结合不同负载的温度特点设置位置，以节约冷能。

请参阅图2，导冷组件400、第一负载、第二负载设置于分隔板401的同侧，例如，分隔板401将内腔200分隔为上部201、下部202。对于上部201，上部201的腔体结构与分隔板401共同围成一腔体，导冷组件400、第一负载、第二负载设置于该腔体内，以便处于相近似的环境温度和环境热辐射，便于控制温度。

请参阅图3，导冷组件400还可以包括外冷屏406，第一负载与导冷板401面接触，外冷屏406与导冷板401连接，外冷屏406至少部分地包围第一负载，例如，在本实施例中，第一负载为电磁线圈701，外冷屏406以与电磁线圈701相类似的结构包围电磁线圈701的外侧，还可以根据需要，在磁场发生控制装置702处设置相应的镂空部，以使外冷屏406能够从外侧包围电磁线圈701。

请参阅图3，导冷组件400还包括内冷屏405，作为一种可行的方式，内冷屏405固定于分隔板206，内冷屏405设置于第一负载、第二负载之间，在本实施例中，样品台500设置于电磁线圈701的环形内侧，则内冷屏405设置于电磁线圈701、样品台500之间，此时，进一步减少了第一负载、第二负载之间的冷能传递效率，进一步提高了二者之间的温度隔离效果，便于对二者的温度进行控制。

请参阅图3，作为一种可选的实施方式，第二导冷接口601、第三导冷接口602相对间隔设置，切换部603设置于第二导冷接口601、第三导冷接口602之间，此时，通过移动切换部603，使切换部603贴紧第二导冷接口601或第三导冷接口602，或使切换部603与第二导冷接口601、第三导冷接口602均间隔设置，从而实现第一位置、第二位置、第三位置的切换。

分隔板206设置有通孔207，便于分隔板206一侧的组件与另一侧的组件之间进行导冷连接，例如，请参阅图3，第一导冷接口402与冷源组件300通过导冷链304导冷连接，导冷链304穿过通孔207。

对于控制组件600，一种可选的方式是，切换部603与操作端605之间设置有螺柱，螺柱穿过内腔200、外腔100并与操作端605固定连接，螺柱与外腔100螺纹连接。更具体地，可以在内腔200的腔壁上设置密封组件208，并在外腔100的腔壁上设置与螺柱相匹配的外螺纹，并在螺柱与外螺纹之间增加螺纹密封胶，以进行密封；此外，还可以通过在外腔100的腔壁上进一步增加相应的密封组件进行密封，例如，通过在螺柱的外腔100的外侧、内侧的相应位置设置固定的端面，并在端面上设置密封圈，以至少在第一位置、第三位置下提高密封效果。此外，还可以根据需要，使螺柱与内腔200的腔壁螺纹连接，并对螺柱与外腔100的腔壁之间的连接进行密封。

请参阅图1至图3，作为一种可以在低温磁场探针台中使用的导冷结构，外腔100、内腔200还可以根据探针测试的需求，分别设置有相匹配的探针口104、204，更具体地，在外腔100的侧壁上设置探针口104，使探针能够穿过探针口104进入外腔100内侧；在内腔200的侧壁上设置探针口204，使进入外腔100的探针能够进一步经过探针口204进入内腔200内侧，从而使探针伸入至被测物的位置，在本实施例中，被测物的位置可以为样品台500的上端面附近。需要注意的是，为了确保外腔100的腔体的密封，可以使探针口104与探针所在的探针座密闭连接，使探针在密闭的条件下伸入外腔100内侧。

此外，请参阅图2，外腔100还包括探针口盖板108，探针口盖板108与探针口104密封连接，从而在部分探针口未设置探针时，可以进行封闭以实现外腔100的封闭腔体。

请参阅图1至图2，外腔100设置有观察窗105；所述内腔200设置观察窗205；外腔100、内腔200的观察窗105、205的位置相互正对。

请参阅图1、图2，外腔100、内腔200之间可以借助连接支架106连接，具体地，连接支架106与分隔板206的底部连接，连接支架106与外腔100的腔壁连接。更具体地，为了对外腔100进行固定，外腔100还包括固定环107，固定环107将外腔100分隔为上腔101、下腔102，上腔101、下腔102之间通过固定环107连接。在需要对外腔100进行固定时，通过将固定环107更换为外部支架的固定板，或使固定环107与外部支架或连接板等装置连接，以完成外腔100的固定。此外，当采用固定环107时，固定环107可以至少部分地向外腔100的腔体内侧凸起，连接支架106通过固定环107与外腔100固定连接。

请参阅图3，为了避免固定环107、连接支架106对分隔板206的支撑导致外腔100内部被分隔，连接支架106设置有镂空部109，通过该镂空部109，实现外腔100的上腔101和下腔102之间的连通。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点，因此以上所述仅为本实用新型的实施例。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还包括各种等效变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (10)

1.一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：包括外腔、内腔、冷源组件、导冷组件、控制组件、第一负载、第二负载，所述冷源组件包括截面宽度依次减小并依次设置的第一段、第二段、第三段，所述内腔设置于所述外腔内侧，所述外腔于与所述第一段密闭连接并形成密闭腔体，所述内腔与所述第二段密闭连接并形成腔体，所述导冷组件、第一负载、第二负载分别设置于所述内腔内侧；所述内腔设置有分隔板，所述导冷组件包括导冷板，所述控制组件包括第二导冷接口、第三导冷接口、操作端、切换部，所述导冷板设置有第一导冷接口，所述导冷板与所述第二导冷接口导冷连接，所述分隔板与所述第三导冷接口导冷连接，所述第一导冷接口与所述冷源组件导冷连接，所述第一负载与所述导冷板导冷连接，所述操作端与所述切换部传动连接，所述操作端设置于所述外腔的外侧，所述第二负载与所述切换部导冷连接，所述切换部被配置为能够在以下位置间切换：

第一位置：所述切换部与所述第二导冷接口面接触，与所述第三导冷接口之间设置有间隙；

第二位置：所述切换部与所述第二导冷接口、第三导冷接口之间均设置有间隙；

第三位置：所述切换部与所述第三导冷接口面接触，与所述第二导冷接口之间设置有间隙。

2.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述导冷组件、第一负载、第二负载设置于所述分隔板的同侧。

3.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述导冷组件还包括外冷屏，所述第一负载与所述导冷板面接触，所述外冷屏与所述导冷板连接，所述外冷屏至少部分地包围所述第一负载。

4.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述导冷组件还包括内冷屏，所述内冷屏固定于所述分隔板，所述内冷屏设置于所述第一负载、第二负载之间。

5.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述第二导冷接口、第三导冷接口之间相对间隔设置，所述切换部设置于所述第二导冷接口、第三导冷接口之间。

6.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述分隔板设置有通孔，所述第一导冷接口与所述冷源组件通过导冷链导冷连接，所述导冷链穿过所述通孔。

7.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述切换部与所述操作端之间设置有螺柱，所述螺柱穿过所述内腔、外腔并与所述操作端固定连接，所述螺柱与所述外腔螺纹连接。

8.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述外腔、内腔分别设置有相匹配的探针口。

9.如权利要求8所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述外腔还包括探针口盖板，所述探针口盖板与所述外腔的所述探针口密封连接。

10.如权利要求1所述的一种低温磁场探针台导冷结构，其特征在于：所述外腔设置有观察窗；所述内腔设置观察窗；所述外腔、内腔的所述观察窗的位置相互正对。