CN2423583Y - 高熔点金属原子束发射源 - Google Patents
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Abstract
一种高熔点金属原子束发射源,含有置于顶上带炉盖的周围有冷却水管的炉体内部中心的加热管。加热管内有盛放原子束金属材料的坩埚。加热管管壁中部有原子束喷孔。对准原子束喷孔的加热管的防辐射层上有大开孔,对准大开孔的炉体上有侧筒。由加热管内发射的原子束流通过原子束喷孔,大开孔和侧筒喷向真空使用系统。本实用新型避免了大电流和冷却水的真空过渡,结构紧凑,操作方便,发射源中心温度可达到2300℃。
Description
本实用新型是一种高熔点金属原子束发射源，它主要适用于原子物理学、原子光谱学及量子光学研究领域，用来获得高熔点金属原子束流，其工作温度可达2300℃。
已有技术：
通常对产生高熔点金属原子束的金属材料的加热方式有三种：1)电子轰击，2)高频感应加热，3)电阻加热。前两种方式要求使用电子枪，磁偏转装置和高频感应电炉等设备，成本高，技术复杂。第三种方式成本低，原理简单，但因大电流馈送和隔热、冷却和真空密封等方面的要求，在结构构成上有较大难度。已有技术(1)“Methods of Experimental Physics”，Volume 4，Part A，Section 1.3，P176，New York Academic(1974)和已有技术(2)G.Scoles，“Atomic and Molecular BeamMethods”，Volume 1，P102，Oxford Department Press中提出一种电阻炉高温原子束源，但是，它是将电阻炉高温原子束源整体置于真空室内，这样的配置存在以下缺点：1)要求真空室有足够大的尺寸以容纳高温原子束源，2)必须解决大电流向真空室内的馈送和水冷管进出真空室的密封连接问题，3)原子束源产生的高温将影响真空系统的运转和真空度，4)不便于原子束材料的填充、加热器的更换及其他有关操作。
本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺点和不足，提供一种置于真空使用系统以外的高熔点金属原子束发射源，将达到：
1)能产生温度高于1500℃的稳定原子束。
2)要具有良好的隔热和冷却系统，以降低加热功率和避免真空使用系统内过度升温。
3)造价低廉，结构简单，操作便利。
本实用新型高熔点金属原子束发射源的结构如图1所示。它为一立式结构。包括炉体7内与炉体7同轴心O1O1地置有一直立的加热管8，在加热管8管壁中间部位上开有一侧孔为原子束喷孔19，供原子束流喷出。加热管8的顶上有盖帽6，盖帽6与加热管8是同种材料所构成。在加热管8内的下部放置盛有原子束金属材料10的坩埚9，加热管8的外围及上下均包围有防辐射层15，加热管8周围的防辐射层15有两层，上下各有一层防辐射层15。在加热管8周围的防辐射层15上在对准原子束喷孔19的方向上有大开孔24。炉体7的侧壁上在对准大开孔24的方向上密封焊接有侧筒16。并且原子束喷孔19、大开孔24以及侧筒16三者处于同一中心轴线O2O2上。侧筒16的顶端有小法兰17，小法兰17通过螺钉23连接有大法兰21，小法兰17与大法兰21之间有法兰密封圈20，大法兰21与真空使用系统连接。加热管8的盖帽6顶端与穿过炉盖4中心的电极2的下端紧密插接，加热管8的下端与炉体7底部的突起部分13紧密插接，以保证导电良好。电极2与炉盖4之间有绝缘垫圈22绝缘，加热电流就是通过电极2和炉体7加在加热管8上。电极2上的电极馈线接头1和炉体7底座上的底座馈线接头11与供电装置27相连。电极2内部由进水口25和出水口26通有冷却水，炉体7外部绕有冷却水管12。炉体7与炉盖4之间有炉盖密封圈5，电极2与炉盖4之间有双重密封圈3。接近加热管8的管壁附近置有热电偶14。
为测量炉温，本实用新型使用了高温热电偶14，热电偶14是被置于接近加热管8的管壁附近，热电偶14的两条引线穿过耐高温陶瓷管18到达真空使用系统内，然后经密封电过渡头把热电偶14的电压信号传到真空使用系统外的电压表上。图1中大法兰21右方为真空使用系统，在图1中示出了侧筒16顶端的小法兰17与大法兰21的联接情况(参见图1)。
本实用新型金属原子束发射源的供电装置27十分简单，如图2所示。含有输入端与电网电压相连的自耦变压器28，自耦变压器28的输出端连接有单向变压器29，单向变压器29的输出端与发射源电极2上的电极馈线接头1和炉体7底座上的底座馈线接头11相连接。也就是说，若容量为4KVA的单相变压器29之输入电压来自大功率自耦变压器28，输出端接至发射源，使加热电流流经加热管8。通过调整自耦变压器28，加在加热管8上的电压可在0～14V之间变动，调整自耦变压器28就能控制加热电流，从而改变发射源温度。
所说的加热管8周围和上下的防辐射层15与加热管8之间的距离可以达到很小，而且外部绕有冷却水管12的炉体7与防辐射层15的距离也可以做得很小。这就有利提高加热效率，缩小体积。
本实用新型的优点：
1)本实用新型的发射源结构紧凑。将大电流加热、防辐射保温、水冷散热及最终的高熔点金属原子束喷发等功能集中在仅约0.7升的体积内，实测发射源中心的温度最高曾达2300℃。
2)本实用新型的发射源当置于加热管8内坩埚9内的原子束金属材料10被加热，产生的原子束流通过加热管8管壁上的原子束喷孔19，防辐射层15上的大开孔24和炉体7侧壁上的侧筒16喷向真空使用系统。所以，本新型的金属原子束发射源是置于真空使用系统外，避免了大电流和冷却水的真空过渡，降低了真空使用系统的升温并大大方便了对发射源的操作，如换料、更换加热器8和馈线连接等。
3)防辐射层15与加热元件即加热管8可以十分靠近，缩小了发射源体积，提高了加热效率。使整个器件升温快，降温快，工作温度高，1600℃时的加热功率仅为800瓦，当加热功率为2200瓦时，炉温达2300℃。比已有技术(1)的发射源在加热功率为4800瓦时达到的温度仅为2000℃，效率提高大于1倍。
附图说明：
图1是本实用新型高熔点金属原子束发射源的整体结构剖面示意图。
图2是本实用新型高熔点金属原子束发射源的供电装置27的结构简图。
实施例：
如图1所示的高熔点金属原子束发射源结构，发射源总高285mm，炉体7高150mm，直径60mm。炉体7和炉盖4均由黄铜制成。电极2由紫铜制成。加热管8和盖帽6由石墨制成，加热管8和盖帽6属于消耗品，每用二三次后因电接触变差等原因需要更换。石墨的加热管8内盛放原子束金属材料10的坩埚9为氧化锆坩埚，石墨的加热管8上的原子束喷孔19取为Φ1.5mm。防辐射层15采用0.15mm厚的钼箔制成，周围的二层防辐射层15在原子束喷孔19的方向上开有适当大小和形状的大开孔24以供原子束出射和热电偶18的伸入。炉盖密封圈5和法兰密封圈20由Φ1mm的银丝制成，双重密封圈3为市售的标准“0”形橡皮环。电极2与炉盖4的绝缘垫圈22由聚四氟乙烯制成。炉体7外部缠绕的冷却水管12为Φ6的紫铜管，与电极2的水冷夹层串联供水。所用的测温元件热电偶14为WRR-010型双铂铑热电偶，绝缘陶瓷管18为带有二个纵孔的刚玉棒材，热电偶14的电压信号输入到XMZ-101型数字温度显示仪上。
用金属铬(Cr熔点1890℃，沸点2640℃)作为原子束金属材料10运转上述结构的发射源，当加热管8的加热电流为180A、加热功率为800KW时，测得炉温为1600℃，对应原子束中Cr原子的平均速度为950m/s。在距原子束喷孔1960cm处放置玻璃板(或金属板)，使Cr原子沉积在玻璃板表面，一小时后取出玻璃板，看到其表面有明显的铬金属层。用美国Tencor公司a-Step 500型表面轮廓仪测量Cr层的厚度为39nm，由此推算出对应的Cr原子束的强度为9×1013/cm2.s。
铬原子束发射的持续使用时间决定于装料的多少，在发射源工作温度不太高的情况下(1500-1600℃)，每克铬可运转10小时以上。发射源工作时真空使用系统未见明显升温，真空度亦无明显下降，发射源的水冷系统工作良好，用手触摸炉体7表面，只感到稍高于室温。
由上述实施例证明本实用新型的发射源是一种简单、低价、高效、可靠的高熔点金属原子束发射源。
Claims (5)
1．一种高熔点金属原子束发射源，包括带有炉盖(4)的炉体(7)，在炉体(7)内置放盛有原子束金属材料(10)的坩埚(9)，炉体(7)的外部绕有冷却水管(12)，其特征在于在炉体(7)内与炉体(7)同轴心O1O1地置有一直立的加热管(8)，加热管(8)管壁中间部位有原子束喷孔(19)，在加热管(8)的顶上有盖帽(6)，在加热管(8)内的下部放置盛有原子束金属材料(10)的坩埚(9)，加热管(8)的外围及上下均有防辐射层(15)，在加热管(8)周围的防辐射层(15)上在对准原子束喷孔(19)的方向上有大开孔(24)，炉体(7)的侧壁上在对准大开孔(24)的方向上密封焊接有侧筒(16)，侧筒(16)的顶端有小法兰(17)，小法兰(17)通过螺钉(23)连接有大法兰(21)，小法兰(17)与大法兰(21)之间有法兰密封圈(20)，加热管(8)的盖帽(6)顶端与穿过炉盖(4)中心的电极(2)的下端紧密插接，加热管(8)的下端与炉体(7)底部的突起部分(13)紧密插接，电极(2)与炉盖(4)之间有绝缘垫圈(22)，电极(2)上的电极馈线接头(1)和炉体(7)底座上的底座馈线接头(11)与供电装置(27)相连，电极(2)内部由进水口(25)和出水口(26)通有冷却水，炉体(7)与炉盖(4)之间有炉盖密封圈5，在电极2与炉盖4之间有双重密封圈(3)，接近加热管(8)的管壁附近置有热电偶(14)。
2．根据权利要求1所述的高熔点金属原子束发射源，其特征在于供电装置(27)含有输入端与电网电压相连的自耦变压器(28)，自耦变压器(28)的输出端连有单向变压器(29)，单向变压器(29)的输出端与发射源电极(2)上的电极馈线接头(1)和炉体(7)底座上的底座馈线接头(11)相连接。
3．根据权利要求1所述的高熔点金属原子束发射源，其特征在于所说的加热管(8)周围的防辐射层(15)有两层，加热管(8)的上下各有一层防辐射层(15)。
4．根据权利要求1所述的高熔点金属原子束发射源，其特征在于所说的加热管(8)顶上的盖帽(6)与加热管(8)是同种材料所构成。
5．根据权利要求1所述的高熔点金属原子束发射源，其特征在于所说的原子束喷孔(19)，大开孔(24)以及侧管(16)三者处于同一中心轴线O2O2。
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