[发明专利]用于超高真空系统的可控低温汞蒸气源

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明的技术效果：

本发明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是本发明结构爆炸图

图2是本发明使用状态的剖面图

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发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护 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，同时本发明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。