CN2837847Y

CN2837847Y - 一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台

Info

Publication number: CN2837847Y
Application number: CN 200520122119
Authority: CN
Inventors: 王健; 蔡伟伟; 梁学锦; 刘慧�; 陈东敏; 薛其坤
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2015-09-27

Abstract

本实用新型公开了一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台，包括：XYZ三维平移台、转动平台和低温制冷装置，三维平移台安装在超高真空腔上，转动平台安装在所述三维平移台上，所述转动台中心轴向固定一导液管，所述低温制冷装置设置在该导液管的下端，所述低温制冷装置下端还安装一可绕水平轴旋转的接收样品托的样品接收装置。本实用新型将转动平台安装固定在三维平移台上，再将三维平移台安装到超高真空腔的相应位置，就可实现样品的XYZ方向上的三维线性运动和绕主轴的一级转动。此外，通过样品传送杆调节螺钉转轴，实现了样品绕水平轴旋转。本实用新型可最大程度地实现液氮低温制冷，不仅设计简单有效，而且极大地降低了制作成本。

Description

一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台

技术领域

本实用新型涉及一种用于超高真空系统的组件，样品操纵台，尤其适用于扫描隧道显微镜(STM)、分子束外延(MBE)和极端条件(强磁场，如10特斯拉；极低温，如2K)物性测量联合系统。

背景技术

超高真空系统是指在人造的超高真空的环境下，对不同类型的样品进行生长、表征和物性测量的系统。当前，超高真空系统已应用在半导体、物理、化学、材料和生物科学等各个研究领域。样品操纵台是超高真空系统的重要组成部分，通常在MBE生长室和样品分析室中接收样品和调整样品的位置。在专利申请(申请号：200520112522.7，用于超高真空系统传样装置的样品托；申请号：200520112523.1，一种用于新型超高真空系统传样装置的样品接收台)中，我们详细描述了用于接收样品的样品托和样品接收台，在很多场合下样品位置的调整包括：XYZ三个垂直方向上的平移、绕主轴的一级转动和绕水平轴的二级转动，共五个维度的运动。如果再考虑到某些金属薄膜的生长需要在低温下进行，就要求样品操纵台能够对样品液氮制冷。同时样品操作台要有精确的温度计来测量样品的温度，要有加热样品的功能。我们称这种样品操纵台为五维低温样品操纵台。由于该种样品操纵台功能如此之多，再加上超高真空的某些特殊要求，使得目前市场上的商用设备结构复杂、价格高昂，部分功能不太理想。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台，可最大程度地实现液氮低温制冷；同时，本实用新型设计简单有效，极大地降低了制作成本。

为实现上述目的，本实用新型一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台主要包括：XYZ三维平移台、转动平台和低温制冷装置，三维平移台安装在超高真空腔上，转动平台安装在所述三维平移台上，所述转动台中心轴向固定一导液管，所述低温制冷装置设置在该导液管的下端，所述低温制冷装置下端还安装一可绕水平轴旋转的接收样品托的样品接收装置。

进一步地，所述导液管内部装有一只细导管，该细导管的下端深入到所述低温制冷装置的底部，上端伸出所述导液管，所述导液管上端侧面还开有排氮口。

进一步地，所述制冷装置为液氮壶，该液氮壶的底部为紫铜，紫铜壶底装有用来接触所述样品托和样品接收台的铍铜弹簧，所述样品接收台通过螺钉转轴和固定连接件安装在所述液氮壶的底部。

进一步地，所述螺钉转轴和固定连接件之间设置有另一铍铜弹簧。

进一步地，还包括一可调整所述螺钉转轴的样品传送杆，该样品传送杆为端部安装有改锥头的磁力杆，所述磁力杆通过法兰安装在所述超高真空腔上。

进一步地，所述导液管和细导管均为不锈钢管。

本实用新型将转动平台安装固定在三维平移台上，再将三维平移台安装到超高真空腔的相应位置，就可实现样品的XYZ方向上的三维线性运动和绕主轴的一级转动。此外，通过样品传送杆调节螺钉转轴，实现了样品绕水平轴旋转。本实用新型可最大程度地实现液氮低温制冷，不仅设计简单有效，而且极大地降低了制作成本。

附图说明

图1是五维低温样品操作台的主视和侧视示意图。

图2a是液氮制冷系统的示意图，图2b是液氮壶底部的结构示意图。

图3是接收装置沿水平轴的转动机制示意图。

图4是样品处于生长状态的示意图。

图5是与本实用新型相配的一种样品托。

图6是与本实用新型相配的样品传送杆。

具体实施方式：

本实用新型如图1所示，本实用新型包括：XYZ三维平移台11、转动平台4和低温制冷装置14，三维平移台11安装在超高真空腔上，转动平台4安装在三维平移台11上，转动台4中心轴向固定一不锈钢管32，低温制冷装置14设置在该不锈钢管32的下端，低温制冷装置14下端还安装一可绕水平轴旋转的接收样品托的样品接收装置15。具体如下：

不锈钢管32焊接在刀口法兰3上，通过刀口法兰3固定在转动平台4上；不锈钢管32的上部是输氮口1和排氮口2，下部则固定在液氮壶14上；通过转动平台4的操作柄5可使平台上部的法兰3绕竖直轴旋转。注意在旋转转动平台4之前一定要用真空泵预抽转动平台4的差分口6，防止转动时漏气。转动平台的下部也是刀口法兰，与XYZ三维平移台11上部的刀口法兰固定在一起。三维平移台11是利用金属软波纹管12的柔韧性，通过旋钮8、9、10实现平移台X、Y、Z方向的线性运动的。平移台11是通过下部的刀口法兰13安装在所需的超高真空腔上的。本实用新型在超高真空内部的部分包括不锈钢管32的部分和液氮壶14。样品接收装置15安装在液氮壶14上。

液氮制冷系统如图2a所示，液氮壶14采用紫铜作底16，为的是更有效的制冷与之接触的部件(铜是热的良导体，而不锈钢是热的不良导体)。液氮壶14上端焊有不锈钢管32，不锈钢管32的上部焊接在刀口法兰3上，刀口法兰3的下部处在超高真空腔中，上部的液氮进出口1、2则暴露在大气中。用刀口法兰3将液氮壶14固定在转动平台4上就实现了液氮壶14与转动平台4和三维平移台的连动。不锈钢管32的内部装有一根较细的不锈钢管33。钢管33向下接近液氮壶14的底部，向上作为液氮的输入口1，用于往液氮壶14里灌液氮。细钢管33接近液氮壶14的底部是为了减少输氮过程中液氮的损耗。细不锈钢管33焊接在不锈钢管32的顶端。排氮口2是开在不锈钢管32侧端暴露在空气中的一个小口。图2b所示的是液氮壶14底部的结构示意图。紫铜壶底16上装有铍铜弹簧17和18，分别用来接触制冷样品托22和样品接收装置21。如果不用铍铜弹簧17和18的话，样品托22和样品接收装置21很难与液氮壶的底部16接触得很好。这样就会降低制冷效率。由图我们还可以看到，样品接收装置21是通过螺钉转轴20和固定连接件19安装到液氮壶14的下部的。对样品进行制冷时，首先用带改锥头的磁力杆转动螺钉转轴20，带动样品接收装置21和样品托22绕水平轴旋转90度，使得样品托22紧压在铍铜弹簧17上，样品接收装置21紧压在铍铜弹簧18上。然后将液氮从液氮入口1灌入到液氮壶14中。液氮出口2的作用是防止液氮壶14内部气体过压。这样，当液氮壶14中存上液氮后，样品托22和样品接收装置21会同时得到有效的制冷。另外，如果用真空泵抽液氮排气口2的话还可对样品实现更低温度的制冷。

样品绕水平轴的二级转动机制见图3。连接件19焊接在液氮壶14上。螺钉转轴20通过连接件19上的两个丝口安装在连接件19上。样品接收装置21则固定安装在螺钉转轴20的中部，可与螺钉转轴20一块儿运动。在连接件19和螺钉转轴20的螺帽之间装有铍铜弹簧22。当样品接收装置21往水平生长位置转的时候，铍铜弹簧22会压紧从而增大螺钉转轴20和连接件19之间的摩擦，使处在生长位置的样品接收装置21不会由于重力的缘故掉回到传样状态。图3所示的是传样状态。连接件19向下的突出物23是用来限位的。当传样时，样品接收装置21会收到一个水平的推力，突出物23可以确保接收装置保持在传样位置不变。螺杆转轴20可由安装在磁力杆上的改锥头转动。引入绕水平轴的二级转动机制是因为，当样品随着样品托22被样品接收装置21接收后，样品一般是垂直放置的。然而大多情况下材料的生长和结构的分析需要样品水平放置，所以需要一个绕水平轴转动的机制使样品可以转到水平位置。图4是样品生长状态时的结构示意图，由图可以看到样品面24与图3中的位置比较，绕水平轴旋转了90度。图6是用于转动螺钉转轴20的磁力杆示意图。磁力杆通过法兰30安装在超高真空腔上。转动暴露在大气中的把手29，安装在磁力杆前端的处于超高真空中的改锥头31就会跟着旋转。当我们需要将样品转到水平位置时，只需用磁力杆前端的改锥头31去拧螺钉旋转轴20的螺帽，使螺钉转轴20带动接收装置21一起旋转。图5是适用于本实用新型的一种样品托。其背部的丝口28用于样品托的传送，正面的两个孔27用于样品的接收和加热。样品24被金属电极26固定在样品托上。为了更好的制冷，样品接收装置21最好用铍铜制备。而测量样品温度的热偶如图4所示可安装在离样品较近的位置25。

本实用新型不仅适用于上文所述的一种特殊的样品托22。只要将样品接收装置21做相应改动，本实用新型可适用于多种传样装置。同时，本实用新型创新性地采用磁力杆上加装改锥头的方式来实现样品绕水平轴的旋转，大大简化了二级转动机制，节约了制作成本，提高了使用性能。此外，本实用新型采用的铍铜弹簧接触制冷样品托与接收装置的方式，在样品的制冷方面也是一大进步。

Claims

1、一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台，其特征在于，包括：XYZ三维平移台、转动平台和低温制冷装置，三维平移台安装在超高真空腔上，转动平台安装在所述三维平移台上，所述转动台中心轴向固定一导液管，所述低温制冷装置设置在该导液管的下端，所述低温制冷装置下端还安装一可绕水平轴旋转的接收样品托的样品接收装置。

2、根据权利要求1所述的一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台，其特征在于，所述导液管内部装有一只细导管，该细导管的下端深入到所述低温制冷装置的底部，上端伸出所述导液管，所述导液管上端侧面还开有排氮口。

3、根据权利要求1或2所述的一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台，其特征在于，所述制冷装置为液氮壶，该液氮壶的底部为紫铜，紫铜壶底装有用来接触所述样品托和样品接收台的铍铜弹簧，所述样品接收台通过螺钉转轴和固定连接件安装在所述液氮壶的底部。

4、根据权利要求3所述的一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台，其特征在于，所述螺钉转轴和固定连接件之间设置有另一铍铜弹簧。

5、根据权利要求4所述的一种用于超高真空系统的五维低温样品操纵台，其特征在于，还包括一可调整所述螺钉转轴的样品传送杆，该样品传送杆为端部安装有改锥头的磁力杆，所述磁力杆通过法兰安装在所述超高真空腔上。