一种产生低温分子的束源系统的制作方法

1.本发明涉及原子分子物理学技术领域，特别涉及一种产生低温分子的束源系统。

背景技术：

2.原子分子束源在冷原子分子物理领域被广泛应用，几乎是任何原子分子物理实验的关键的起始步骤。比如原子物理中，对于无法在室温下产生原子束，一般采用高温炉束源的方式将单质金属加热至很高的温度，原子从高温炉出射即可获得稳定的束源，该方法获得束源密度大但速度快。而在分子物理中，一些研究对象在自然界中无法直接大量存在，需要采用yag高功率脉冲激光器轰击单质样品表面产生等离子体，再与反应气体反应在真空束源腔内利用化学反应的方式产生。或是预先制备好相关分子样品，利用yag轰击样品的方式使得原样品某个键断裂获得目标分子。同时可以利用低温环境和低温缓冲气体对于产生的分子进行腔内的预冷，起到降低分子束出射速度的目的。我们认为yag激光的在样品表面聚焦的空间位置就是每次样品被溅射的位置，由于腔内具有复杂的气体动力学，不同的溅射位置对于出射分子束的速度和密度都有影响。然而在yag光轰击样品的过程中若是样品和yag光路在空间中都维持不动，则焦点位置会越来越深，甚至样品表面在yag轰击作用下会出现小的凹陷，导致yag光聚焦光路变长，在样品上的焦点变大，深度变深，切实的影响了分子束的稳定性。
3.因此，需要一种可以在超低温腔中可以稳定持续匀速转动的电机驱动的机械结构来，使得yag每次轰击样品时，样品表面具有均匀性。同时这样的设计需要克服电机在高真空系统放气问题、电机对于超低温束源腔的热负载、机械结构在超低温下卡死等问题。
4.高真空低温电机可以在超高真空超低温下工作，然而电机的焦耳热对于低温系统而言是一个很大的负载，因此需要尽可能较少电机的电流，但又要保证小电流下有足够的扭矩去带动传动系统。由于腔室不能漏气，即样品棒进入气体反应腔室的入口需要密封，因此传动结构需要完全固定在气体反应腔室的入口。考虑热负载的问题，传动结构全采用低导热率的聚酰亚胺材料，并且该材料下低温下形变量相比金属小得多，可以有效缓解热胀冷缩的形变造成的螺牙卡死。
5.针对现有束源技术无法实现低温分子束源稳定产生的问题，本发明提出一种产生低温分子的束源系统可以有效的提高分子束源的稳定性，可以应用在冷原子束源以及其他任何需要在低温环境下控制转动样品的场景中。

技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种产生低温分子的束源系统，可以有效解决背景技术中的问题。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
8.一种产生低温分子的束源系统，包括真空系统、脉管制冷机、气体反应腔室、气体管路、流量计、样品棒、电机传动装置、真空步进电机、电机驱动器和yag激光器，所述气体反
应腔室顶部和脉管制冷机紧密固定，样品棒通过黑胶固定在电机传动装置的上侧，电机传动装置固定在气体反应腔室的底部，电机传动装置与真空步进电机的转轴固定安装；
9.其中，所述脉管制冷机有一级冷头和二级冷头，极限低温一级冷头可达30k、二级冷头可达4k；
10.所述真空步进电机转动控制的编程化由电机驱动器和控制盒实现；
11.所述yag激光器激光能量10-20mj。
12.优选的，所述气体反应腔室的材质为紫铜。
13.优选的，所述脉管制冷机的一级冷头与真空步进电机热接触，所述脉管制冷机的二级冷头与气体反应腔室紧密接触，且二级冷头和气体反应腔室接触面之间填充有真空导热硅脂或夹铟片。
14.优选的，选取惰性气体作为缓冲气体，所述反应气体和缓冲气体的气体管路分别与脉管制冷机二级冷头做热隔绝和热接触处理，所述反应气体和缓冲气体分别通过各自的气体管路通入到气体反应腔室中。
15.优选的，所述电机传动装置包括工字型固定件、m10内螺牙件、m10外螺牙件、m3顶头螺丝和电机转轴套筒，所述工字型固定件顶面和气体反应腔室底面使用螺丝固定，所述m10内螺牙件与工字型固定件上侧圆孔为紧配合，所述m10外螺牙件套接在电机转轴套筒的外部且与电机转轴套筒滑动连接，所述m10外螺牙件穿插连接在m10内螺牙件内且与m10内螺牙件螺纹连接。
16.优选的，所述电机转轴套筒的外表面攻有m3的螺纹孔，所述电机转轴套筒套入真空步进电机的转轴上，所述m3顶头螺丝螺纹连接在m3螺纹孔内将电机转轴套筒与真空步进电机的转轴固定连接。
17.优选的，所述m10外螺牙件的侧面洗有适配槽用以配合m3顶头螺丝，所述m3顶头螺丝的前端面位于m10外螺牙件的槽内。
18.优选的，所述样品棒通过黑胶粘在m10外螺牙件顶端。
19.优选的，所述工字型固定件、m10内螺牙件、m10外螺牙件和电机转轴套筒均采用聚酰亚胺材料制成。
20.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
21.1、本发明实现了超低温下电机驱动的稳定持续匀速转动，样品棒可以被yag消融光均匀的轰击，从而产生稳定的束源，同时，机械结构在低温下不会卡死，电机的发热也不会过多影响束源腔温度。
22.2、本发明样品棒的转速可以在腔外实时的控制，结构紧凑，由于转轴短，传动过程中的机械抖动小，并且由于在腔内安装，对于外腔的大小没有约束。
附图说明
23.图1为本发明的束源腔及其电机传动的正视图框图；
24.图2为本发明的传动装置的细节图；
25.图3为本发明电机热负载的对比图；
26.图4为本发明束源信号图；
27.图5为本发明束源自由飞行时间。
28.图中：1、气体反应腔室；2、电机传动装置；3、真空步进电机；21、工字型固定件；22、m10内螺牙件；23、m10外螺牙件；24、m3顶头螺丝；25、电机转轴套筒。
具体实施方式
29.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例
33.一种产生低温分子的束源系统，包括真空系统、脉管制冷机、气体反应腔室1、气体管路、流量计、样品棒、电机传动装置2、真空步进电机3、电机驱动器和yag激光器，气体反应腔室1顶部和脉管制冷机紧密固定，样品棒通过黑胶固定在电机传动装置2的上侧，电机传动装置2固定在气体反应腔室1的底部，电机传动装置2与真空步进电机3的转轴固定安装；
34.其中，脉管制冷机有一级冷头和二级冷头，极限低温一级冷头可达30k、二级冷头可达4k；
35.真空步进电机3转动控制的编程化由电机驱动器和控制盒实现，电机驱动器选用宇恒科技的dm420型驱动器，控制盒选用海杰嘉创的cl-01a型，将电机驱动器的细分设为1600，在控制盒上设定控制循环，每5s一次脉冲，总步长设为11200；
36.yag激光器激光能量10-20mj，通过透镜系统聚焦在样品侧表面，焦点为1mm。
37.气体反应腔室1的材质为紫铜。
38.脉管制冷机的一级冷头与真空步进电机3热接触，脉管制冷机的二级冷头与气体反应腔室1紧密接触，且二级冷头和气体反应腔室1接触面之间填充有真空导热硅脂或夹铟片，增加接触面积。
39.选取惰性气体作为缓冲气体，反应气体和缓冲气体的气体管路分别与脉管制冷机二级冷头做热隔绝和热接触处理，反应气体和缓冲气体分别通过各自的气体管路通入到气体反应腔室1中，若制备mgf分子束源，惰性缓冲气体选择浓度为99.999％的氦气，反应气体选择浓度为99.999％的三氟化氮气体，氦气和三氟化氮气体的气管都选用2mm内径的铜管，氦气铜管和制冷机二级冷头热接触，温度降到4k，三氟化氮铜管末端和气体反应腔室1用聚酰亚胺件做隔热处理，同时利用铜编织线接触一级冷头，温度降到100k，氦气流量设定在1sccm，三氟化氮流量设定在0.24sccm，流量计使用七星华创的品牌。
40.如图1-2所示，电机传动装置2包括工字型固定件21、m10内螺牙件22、m10外螺牙件
23、m3顶头螺丝24和电机转轴套筒25，工字型固定件21顶面和气体反应腔室1底面使用螺丝固定，使用0.5mm聚酰亚胺片夹在中间进一步减少热传导，m10内螺牙件22与工字型固定件21上侧圆孔为紧配合，m10外螺牙件23套接在电机转轴套筒25的外部且与电机转轴套筒25滑动连接，m10外螺牙件23穿插连接在m10内螺牙件22内且与m10内螺牙件22螺纹连接。
41.电机转轴套筒25的外表面攻有m3的螺纹孔，电机转轴套筒25套入真空步进电机3的转轴上，m3顶头螺丝24螺纹连接在m3螺纹孔内将电机转轴套筒25与真空步进电机3的转轴固定连接。
42.m10外螺牙件23的侧面洗有适配槽用以配合m3顶头螺丝24，m3顶头螺丝24的前端面位于m10外螺牙件23的槽内，真空步进电机3转轴转动带动电机转轴套筒25和m3顶头螺丝24转动，m3顶头螺丝24一侧推动m10外螺牙件23的槽边使其转动，由于m10内螺牙件22固定，从而实现m10外螺牙件23的旋进，使得样品棒可以伸入气体反应腔室1内。
43.样品棒通过黑胶粘在m10外螺牙件23顶端。
44.工字型固定件21、m10内螺牙件22、m10外螺牙件23和电机转轴套筒25均采用聚酰亚胺材料制成。
45.本实施例一种产生低温分子的束源系统的具体操作步骤如下：
46.a：在抽真空之前将电机传动装置2和真空步进电机3按照图1-2装配固定，样品棒需要提前使用黑胶固定在m10外螺牙件23顶端，静置10小时凝固，然后使用电机控制盒的手动模式确认室温下电机传动装置2是否正常工作，确认完毕将控制盒切换至自动模式，选定好需要编译好的循环程序；
47.b：使用干泵以及分子泵抽真空，当真空度优于再运行制冷机，等待3-4小时制冷机达到极限温度4.5k左右时，可以开始进行束源系统的启动和探测；
48.c：打开流量计，分别设定氦气和三氟化氮气体的流量为1.0sccm和0.24sccm通入到气体反应腔室1，等待5-10分钟腔内的气体动力学达到平衡，可以观察真空度示数是否稳定；
49.d：打开电机开关，运行电机驱动器和控制盒，运行之前编译好的循环程序，电机即开始工作，样品棒开始转动；图3所示，当没有电机热负载时，制冷机二级冷头和气体反应腔室1的平均温度分别为4.0k和4.2k，当有电机热负载时，制冷机二级冷头和气体反应腔室1的平均温度分别为4.3k和4.6k，虽然本发明中电机负载会使得系统的温度略微升高，但是升温的幅度在0.3-0.4k之间，隔热性能优越；
50.e.打开yag激光器，将光束聚焦在旋转样品棒的侧表面，此时溅射镁单质和三氟化氮气体反应生成一氟化镁分子。在氦气的冷却下从气体反应腔室1的出口出射，形成稳定的脉冲分子束，此时在后面的腔内我们可以通过激光诱导荧光的方式，用光电倍增管探测分子束的飞行时间信号；如图5所示，两个飞行时间信号分别表示在分子飞行至两个探测器时的信号，两个探测器的距离为25cm，我们取两个信号的峰值的横坐标，他们对应了中心速度的分子束经过这两个探测器的时间，分别为1.91ms和3.24ms，时间差为1.33ms，用25cm除以该时间差我们就可以得到这个脉冲下的分子束的中心速度为187m/s。对于原子分子束源来说，速度很缓慢。同时，我们任取图5的一根曲线，记录该曲线在这个脉冲下的最大值，该最大值表征了单脉冲的分子束的数目，我们将每一个脉冲下的该值都记录下来，绘制一个以脉冲数为横坐标，最大值为纵坐标的曲线。如图4所示，该图表征了分子束数目随脉冲数的
变化，可以看到近7200次脉冲1个小时后，分子束信号几乎没有变小，稳定性也很好，信号持续维持在0.8
±
0.2v，相比于传统的调焦点或是手动转动样品的方式，本发明实施后的束源效果有很大的提升。可以看到图4是我们测试完样品稳定性后，样品棒侧表面的yag消融焦点，是非常均匀的螺纹线。
51.本发明实现了超低温下电机驱动的稳定持续匀速转动，样品棒可以被yag消融光均匀的轰击，从而产生稳定的束源，同时，机械结构在低温下不会卡死，电机的发热也不会过多影响束源腔温度；样品棒的转速可以在腔外实时的控制，结构紧凑，由于转轴短，传动过程中的机械抖动小，并且由于在腔内安装，对于外腔的大小没有约束。
52.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：包括真空系统、脉管制冷机、气体反应腔室(1)、气体管路、流量计、样品棒、电机传动装置(2)、真空步进电机(3)、电机驱动器和yag激光器，所述气体反应腔室(1)顶部和脉管制冷机紧密固定，样品棒通过黑胶固定在电机传动装置(2)的上侧，电机传动装置(2)固定在气体反应腔室(1)的底部，电机传动装置(2)与真空步进电机(3)的转轴固定安装；其中，所述脉管制冷机有一级冷头和二级冷头，极限低温一级冷头可达30k、二级冷头可达4k；所述真空步进电机(3)转动控制的编程化由电机驱动器和控制盒实现；所述yag激光器激光能量10-20mj。2.根据权利要求1所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：所述气体反应腔室(1)的材质为紫铜。3.根据权利要求1所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：所述脉管制冷机的一级冷头与真空步进电机(3)热接触，所述脉管制冷机的二级冷头与气体反应腔室(1)紧密接触，且二级冷头和气体反应腔室(1)接触面之间填充有真空导热硅脂或夹铟片。4.根据权利要求1所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：选取惰性气体作为缓冲气体，所述反应气体和缓冲气体的气体管路分别与脉管制冷机二级冷头做热隔绝和热接触处理，所述反应气体和缓冲气体分别通过各自的气体管路通入到气体反应腔室(1)中。5.根据权利要求1所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：所述电机传动装置(2)包括工字型固定件(21)、m10内螺牙件(22)、m10外螺牙件(23)、m3顶头螺丝(24)和电机转轴套筒(25)，所述工字型固定件(21)顶面和气体反应腔室(1)底面使用螺丝固定，所述m10内螺牙件(22)与工字型固定件(21)上侧圆孔为紧配合，所述m10外螺牙件(23)套接在电机转轴套筒(25)的外部且与电机转轴套筒(25)滑动连接，所述m10外螺牙件(23)穿插连接在m10内螺牙件(22)内且与m10内螺牙件(22)螺纹连接。6.根据权利要求5所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：所述电机转轴套筒(25)的外表面攻有m3的螺纹孔，所述电机转轴套筒(25)套入真空步进电机(3)的转轴上，所述m3顶头螺丝(24)螺纹连接在m3螺纹孔内将电机转轴套筒(25)与真空步进电机(3)的转轴固定连接。7.根据权利要求5所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：所述m10外螺牙件(23)的侧面洗有适配槽用以配合m3顶头螺丝(24)，所述m3顶头螺丝(24)的前端面位于m10外螺牙件(23)的槽内。8.根据权利要求1所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：所述样品棒通过黑胶粘在m10外螺牙件(23)顶端。9.根据权利要求5所述的一种产生低温分子的束源系统，其特征在于：所述工字型固定件(21)、m10内螺牙件(22)、m10外螺牙件(23)和电机转轴套筒(25)均采用聚酰亚胺材料制成。

技术总结

本发明公开了一种产生低温分子的束源系统，包括真空系统、脉管制冷机、气体反应腔室、气体管路、流量计、样品棒、电机传动装置、真空步进电机、电机驱动器和YAG激光器。本发明使低温电机带动实验样品棒在超低温下持续稳定得转动；让YAG激光均匀得消融样品棒的侧表面，通过惰性预冷载气实现低速低温的原子或者分子束的持续稳定产生；所述特定设计的低温电机转速可以自由调节，并且可以保证在束源稳定的情况下，电机的发热不会使束源腔温度高于5K；由于不需要改变YAG消融焦点的位置，可以保证束源腔内的空气动力学性质稳定；本发明具有稳定性高、成束质量好等优点，对于原子分子物理学领域有重大的应用前景。领域有重大的应用前景。领域有重大的应用前景。