用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源技术方案

一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源。汞杯底部与多级半导体制冷片(TEC)顶部粘接，TEC底部与热沉顶部粘接，热沉通过通水法兰安装在超高真空系统上。汞杯侧壁粘有温度传感器，温度传感器和TEC通过Feedthrough与外部实现电气连接。汞杯中盛有单质汞，汞蒸气可扩散到整个真空系统内部。本发明专利技术实现对超高真空系统内部汞蒸气密度的控制。TEC通电时，汞杯得到制冷，产生热量传递给热沉，冷却水通过通水法兰进入热沉内部带走热量。由于温度降低，汞杯内的单质汞对应的饱和蒸气压降低，从而使真空系统内汞蒸气密度降低。温度传感器可检测汞杯温度，控制TEC电流即可控制系统内汞蒸气密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物理实验装置领域和真空设备领域。通过半导体制冷片(TEC)制冷，降低金属汞的蒸气压，从而在超高真空系统内产生可控浓度的汞蒸气。
技术介绍
在涉及激光冷却的原子物理实验中，均需要在真空系统内产生待冷却原子一定浓度的背景蒸气，因此需要一个专门设计的蒸气源。对于Rb、Yb、Sr等常用于激光冷却实验的原子来说，由于它们在室温下的蒸气压非常低，远远达不到实验需求的浓度，因此需要适当的加热或者通电激活。而对于汞，它在常温下呈液态，蒸气压太大，需要降温来使它产生的蒸气浓度符合实验的要求。目前世界上进行汞原子激光冷却相关实验的单位极少，并没有成熟的汞蒸气源技术。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，用于激光冷却物理实验，通过半导体制冷片制冷(以下简称TEC)，在超高真空系统内产生可控特定浓度的汞原子蒸气。本专利技术的技术解决方案如下：一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，从上到下主要包括四个部分：顶端是汞杯，以及其内盛装的单质汞、外表面粘贴温度传感器；接下来是真空多级TEC；然后是热沉；底部是通水法兰。汞杯底部和TEC顶部通过真空胶粘接，TEC底部和热沉顶部用真空胶粘接，热沉底部通过通水法兰固定在系统真空腔腔体上，通水法兰有进水管和出水管，所述的温度传感器与所述的超高真空系统的连接线法兰相连。汞杯是一个圆柱形的杯子，作为汞单质的容器。它的外表面通过真空胶粘贴有温度传感器，可将汞杯温度实时转换为电信号。真空多级TEC具有低放气率、耐高温且制冷温差大的特点，通电时顶部制冷，将热量转移到底部，并传给热沉。热沉呈中空圆柱形，顶端封闭，底部无底呈开口状且有一圈向外扩张的边沿。该边沿可以用来作为法兰垫圈，使通水法兰和真空腔体可以通过法兰方式固定，同时使热沉内部与真空系统内部隔开。通水法兰与真空腔壁上的法兰连接孔配合，可将热沉固定在真空系统上。通水法兰中间具有一高(出水)一低(进水)两个水管贯通，可将冷却水通入热沉内部。根据热胀冷缩原理，低进高出的设置可以最有效地带走热沉的热量。温度传感器和TEC与外部的电气连接通过Feedthrough实现。本专利技术的技术效果：本专利技术安装于超高真空系统腔体上，可耐受超高真空制备必经的高温烘烤过程。真空制备完毕后，通入氮气作为保护气体，打开真空系统，在汞杯内装入单质汞并封闭真空系统。利用通水法兰通入冷却水循环，给TEC通电制冷，对真空系统进行抽气，并用离子泵维持。改变TEC电流即可改变汞杯内汞单质的温度，改变其蒸气压，汞杯侧壁的温度传感器可以实时监测汞杯温度。增大TEC电流，可使汞杯温度降低至-75℃，此时汞单质的蒸气压大约为6×10-9Torr。扩散出来的汞蒸气极少，系统内维持一个很高的真空度。减小TEC电流，汞杯温度升高，扩散出来的汞蒸气增加，系统内存在足够的背景汞原子气体。根据不同的实验要求，选择特定的TEC电流，可使系统内维持一个特定的汞原子气体密度。附图说明图1是本专利技术结构爆炸图图2是本专利技术使用状态的剖面图附图标记：1汞杯，2多级TEC，3热沉，4通水法兰，5进水管，6出水管，7温度传感器，8连接线法兰(Feedthrough)，9腔体具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。超高真空环境要求其内元件放气率低，且可以耐受超高真空制备过程必须的烘烤过程，同时本专利技术涉及制冷和热量传递，相关元件的热导率要满足要求。因此本实施例中汞杯和热沉采用无氧铜材料，具有热导率高、真空放气率低的优点。温度传感器为真空Pt100铂热电阻。采用奥冷6级真空TEC，呈梯形，上下最大制冷温差可达131℃。通水法兰采用不锈钢材料，口径为CF35，真空腔具有对应规格的法兰连接孔，热沉底部扩展的边沿直径与CF35法兰连接紫铜圈相同。真空胶采用EPO-TEK公司的环氧树脂系列胶水，如H77。汞杯底部和TEC顶部粘接，热沉和TEC底部粘接，而热沉底部扩展的外沿作为法兰垫圈，使通水法兰和真空腔法兰孔可以进行法兰连接。如图1所示的可控低温汞蒸气源，通过通水法兰4安装在超高真空系统的腔体9内部，汞杯1中盛有少量单质汞，汞蒸气可以通过蒸发/升华扩散到整个腔体9内部。通过连接线法兰8给多级TEC2通电，汞杯1和其内的汞单质得到冷却。控制TEC2电流即可控制汞杯1最终冷却温度。不同温度下的单质汞具有对应的蒸气压，于是腔体9内的汞蒸气压得到控制。汞杯1侧壁粘贴的温度传感器7(在本实例中为但不局限于真空Pt100)可以实时将温度信号转化为电信号，并通过连接线法兰8传给外部监控。多级TEC2冷却产生的热量聚集于下表面，传导给热沉3。通过进水管5通入循环冷却水带走热量，热水通过出水管6流出。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，其特征为：包括内盛装有单质汞、且外表面粘贴温度传感器(7)的汞杯(1)、真空多级TEC(2)、中空热沉(3)具有进水口及出水口的通水法兰(4)、进水管(5)和出水管(6)；所述的汞杯(1)的底部和TEC(2)的顶部通过真空胶粘接，TEC(2)的底部和热沉(3)的顶部用真空胶粘接，热沉(3)底部通过通水法兰(4)固定在所述的超高真空系统的腔体(9)上，所述的进水管(5)的一端通过通水法兰(4)的进水口伸入中空热沉(3)中，所述的出水管(6)的一端通过通水法兰(4)的出水口伸入中空热沉(3)中，所述的温度传感器(7)与所述的超高真空系统的连接线法兰相连(8)。

【技术特征摘要】
1.一种用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源，其特征为：包括内盛装有单
质汞、且外表面粘贴温度传感器(7)的汞杯(1)、真空多级TEC(2)、中空热沉(3)
具有进水口及出水口的通水法兰(4)、进水管(5)和出水管(6)；
所述的汞杯(1)的底部和TEC(2)的顶部通过真空胶粘接，TEC(2)的底部
和热沉(3)的顶部用真空胶粘接，热沉(3)底部通过通水法兰(4)固定在所述
的超高真空系统的腔体(9)上，所述的进水管(5)的一端通过通水法兰(4)的
进水口伸入中空热沉(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亢亢，徐震，刘洪力，孙剑芳，王育竹，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31