專利名稱：能調(diào)樣品位形的低溫恒溫器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及應(yīng)用4He(氦)低溫液體致冷、電場、磁場與位形測試或分析材料和器件的裝置，是一種用于半導(dǎo)體材料和器件在深低溫強(qiáng)磁場下電子輸運(yùn)物理特性研究的能調(diào)樣品位形的低溫恒溫器。
深低溫強(qiáng)磁場下電子輸運(yùn)特性測量是研究半導(dǎo)體材料與器件的重要手段之一。它可以直接給出一些基本物理參數(shù)如霍爾系數(shù)、電阻率、電子遷移率、載流子濃度、禁帶寬度等，是評(píng)價(jià)材料與器件的重要方法之一。電子輸運(yùn)特性研究裝置主要有三個(gè)基本部分構(gòu)成，深低溫、強(qiáng)磁場和樣品位形。目前用于半導(dǎo)體電子輸運(yùn)研究的4He低溫裝置一般溫度范圍1.5K-300K，磁場0-10特斯拉，樣品位形只能縱向(樣品電流與磁場夾角呈0°)或橫向(樣品電流與磁場夾角呈90°)，一次實(shí)驗(yàn)只能選擇縱向和橫向中的一種。在深低溫強(qiáng)磁場下難以進(jìn)行材料、器件的位形研究，制約了電子輸運(yùn)中位形研究的深入發(fā)展。英國牛津公司與美國JANIS公司是目前國際上主要從事研究生產(chǎn)低溫系統(tǒng)的二家公司，但至今未見有在低溫下能連續(xù)調(diào)節(jié)樣品位形的恒溫器。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種能調(diào)樣品位形的低溫恒溫器，在低溫強(qiáng)磁場下樣品位形可以在0°至90°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。
本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案達(dá)到。本方案主要由樣品架、低溫恒溫器、主氦池杜瓦和超導(dǎo)磁體組成，將超導(dǎo)磁體通過吊桿置于主氦池杜瓦內(nèi)，通過低溫恒溫器的法蘭與主氦池杜瓦法蘭對(duì)接，將低溫恒溫器放入主氦池杜瓦內(nèi)、低溫恒溫器置樣品的恒溫室部位伸入超導(dǎo)磁體內(nèi)腔體，通過樣品架的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)口與低溫恒溫器的標(biāo)準(zhǔn)口對(duì)接，使樣品架伸入置于低溫恒溫器中，其中恒溫器的設(shè)計(jì)融合了高真空絕熱、引線熱沉、限流、減壓等技術(shù)。通過減壓最低溫度達(dá)到1.12K，溫區(qū)范圍為1.12K-300K。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)樣品架轉(zhuǎn)角旋鈕，樣品架位形桿帶動(dòng)齒輪、齒條及樣品基片一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使樣品的電流和磁場的夾角置于0°至90°范圍內(nèi)任意位形再鎖定樣品位置，使樣品的電流和磁場的夾角取向有多種選擇。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)闡述


圖1是本實(shí)用新型能調(diào)樣品位形的低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)剖示圖。
圖2是本實(shí)用新型的樣品架的結(jié)構(gòu)剖示圖。
圖3是本實(shí)用新型的樣品架的側(cè)視圖，圖3是圖2的左視圖。
圖4是本實(shí)用新型的低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)剖示圖。
圖5是本實(shí)用新型的主氦池杜瓦示意圖。
圖6是本實(shí)用新型的超導(dǎo)磁體示意圖。
圖7是本實(shí)用新型的低溫恒溫器的降溫曲線。
圖8是使本實(shí)用新型的低溫恒溫器獲得的碲鎘汞霍爾器件不同角度下磁阻與磁場關(guān)系曲線。
圖9是使用本實(shí)用新型的低溫恒溫器獲得的霍爾器件磁阻振蕩的曲線。
請(qǐng)參閱附圖，本實(shí)用新型主要包括樣品架1、低溫恒溫器2、主氦池杜瓦3和超導(dǎo)磁體4所組成。
磁體402經(jīng)過吊桿401置于主氦池杜瓦3的主氦池308中；通過低溫恒溫器2的法蘭205與主氦池杜瓦3的內(nèi)杜瓦法蘭302對(duì)接，低溫恒溫器2伸入主氦池杜瓦3的主氦池308內(nèi)，低溫恒溫器2內(nèi)置樣品的恒溫室部位伸入超導(dǎo)磁體4中的腔體403內(nèi)；通過樣品架1的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)口109與低溫恒溫器2的標(biāo)準(zhǔn)口201對(duì)接，使樣品架伸入置于低溫恒溫器2中。
所說的樣品架1由主桿107與齒輪齒條固定支架103連接，在主桿107上置有低真空抽口121與測量引線電纜座106，位形調(diào)節(jié)桿104裝入主桿107內(nèi)，位形調(diào)節(jié)桿密封環(huán)105分別與位形調(diào)節(jié)桿104、主桿107連接，位形調(diào)節(jié)桿104與樣品旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒條101連接，樣品旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒條101能通過齒條鎖定鈕102鎖定，樣品旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒輪122裝入固定支架103，帶有角度刻度的齒輪壓板124與固定支架103固定，齒輪旋轉(zhuǎn)鈕123與旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒輪122固定，樣品架主桿密封環(huán)108與供低溫恒溫器2對(duì)接的樣品架滑動(dòng)標(biāo)口109對(duì)接后再與樣品架主桿107連接，樣品架主桿107與過渡法蘭120連接，過渡法蘭120與樣品架過渡管111連接，引線熱沉柱110與過渡管111連接，過渡法蘭119與過渡管111連接，樣品恒溫基座112與過渡法蘭119連接，樣品位形調(diào)節(jié)齒條113置于樣品恒溫基座112內(nèi)與位形調(diào)節(jié)桿104連接，樣品轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪115裝入樣品恒溫基座112，齒輪壓板125與樣品恒溫基座112固定，樣品基片118安裝在樣品轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪115上，在樣品恒溫基座112上置有測量引線孔114，銠鐵溫度計(jì)涂上真空油脂裝入溫度計(jì)基座116，用康銅絲繞在樣品恒溫基座112上的電爐基座117上。
所說的低溫恒溫器2，由主管207分別與法蘭205、恒溫器減壓口203、球閥202、恒溫器外法蘭208連接，球閥202與供對(duì)接樣品架1的標(biāo)準(zhǔn)口201連接，頸管216分別連接恒溫器外法蘭208、內(nèi)法蘭210和限流環(huán)214，高真空管206穿過法蘭205并與其連接，高真空管206的一端與恒溫器外法蘭208連接，另一端置有高真空閥及抽口204，恒溫器外法蘭208連接針閥217，針閥內(nèi)含有部件密封波紋管218，針閥調(diào)節(jié)桿219分別與針閥217、法蘭205連接，針閥調(diào)節(jié)桿密封環(huán)220裝入法蘭205擰緊，針閥調(diào)節(jié)鈕221與針閥調(diào)節(jié)桿219連接，恒溫器內(nèi)法蘭210連接恒溫器內(nèi)體212，恒溫器外法蘭208連接恒溫器外體209，恒溫器外體209與恒溫器內(nèi)體212之間為恒溫器高真空室211，內(nèi)體212的內(nèi)腔體是供置放樣品的恒溫室213，在針閥217和恒溫室213之間裝有相通的毛細(xì)管215。
所說的主氦池杜瓦3和超導(dǎo)磁體4中，超導(dǎo)磁體4中的402為NbTi和Nb3Sn組合磁體，可提供12特斯拉的場強(qiáng)，磁體通過磁體吊桿401吊裝在內(nèi)杜瓦法蘭302上再置于主氦池杜瓦3的主氦池308內(nèi)。在內(nèi)杜瓦法蘭302上分別裝有通往主氦池308的輸液口309與回氣口301，內(nèi)杜瓦法蘭302與杜瓦內(nèi)壁307連接構(gòu)成內(nèi)杜瓦，外杜瓦法蘭303與杜瓦外壁305連接構(gòu)成外杜瓦，然后內(nèi)杜瓦置于外杜瓦內(nèi)，內(nèi)杜瓦與外杜瓦之間為高真空室306。在杜瓦外壁上設(shè)置有高真空抽口和高真空閥304。
樣品位形調(diào)節(jié)時(shí)，首先松開齒條鎖定鈕102和位形調(diào)節(jié)桿密封環(huán)105，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒條101至所需角度，擰緊密封環(huán)105和齒條鎖定鈕102，進(jìn)入工作狀態(tài)。
在低溫下調(diào)換樣品時(shí)先松開主桿密封環(huán)108，然后向上提升主桿107至球閥202，關(guān)閉202，待15分鐘后見樣品架的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)口109化霜后取下樣品架。樣品置換后裝入恒溫器，先密封標(biāo)準(zhǔn)口201，然后機(jī)械泵8抽低真空抽口121至133帕，然后打開球閥202，稍松主桿密封環(huán)108，將樣品架1慢慢向下插，一般需20分鐘，以減少液氦氣化，樣品架1送入恒溫器內(nèi)后擰緊主桿密封環(huán)108。
低溫恒溫器降溫時(shí)，首先將一臺(tái)速率為10升/秒的機(jī)械泵與恒溫器減壓口203連接，在機(jī)械泵與恒溫器減壓口203之間并接通徑32毫米的蝶閥和隔膜閥各一只以便控制機(jī)械泵抽速，接著啟動(dòng)機(jī)械泵，然后適量打開隔膜閥，此時(shí)打開針閥217通過毛細(xì)管215往恒溫器內(nèi)灌液氦，恒溫器內(nèi)灌滿后，關(guān)閉針閥217，慢慢打開隔膜閥，當(dāng)恒溫器內(nèi)溫度接近2.17K時(shí)打開蝶閥全速抽，當(dāng)恒溫器內(nèi)蒸氣壓飽和時(shí)，恒溫器降溫過程結(jié)束進(jìn)入工作狀態(tài)。圖7為本低溫恒溫器降溫時(shí)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線。本實(shí)用新型能調(diào)樣品位形的低溫恒溫器最低溫度達(dá)1.12K，最低溫度維持時(shí)間可達(dá)6小時(shí)(指恒溫器內(nèi)一次灌滿液氦)，溫度范圍1.12K-300K，1.12K-4.2K之間溫度是通過控制機(jī)械泵抽速使恒溫器內(nèi)蒸氣壓飽和而獲得，利用機(jī)械泵抽速與蒸氣壓之間關(guān)系控制溫度。4.2K-300K之間溫度通過自動(dòng)控制電爐加熱，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于1％。樣品位形可連續(xù)調(diào)節(jié)的樣品架其主要特點(diǎn)是在低溫下可置換樣品，同時(shí)可以置放二塊樣品，更為重要的是樣品位形與磁場夾角0°至90°連續(xù)可調(diào)并顯示角度數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)角旋鈕時(shí)樣品架位形桿帶動(dòng)齒條、齒輪及樣品基片一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使樣品置于0°至90°范圍內(nèi)任意位形，使用角度鎖定鈕固定樣品位置。這樣的設(shè)計(jì)使樣品的電流和磁場的夾角取向有多種選擇增加獲取材料、器件的電學(xué)參數(shù)，從而滿足電子輸運(yùn)對(duì)位形研究的要求。為探索新的物理現(xiàn)象提供了一種全新的研究裝置，同時(shí)也為二維系統(tǒng)和準(zhǔn)二維系統(tǒng)的判別提供了一種新的重要手段。自本實(shí)用新型能調(diào)樣品位形的低溫恒器投入試用，已獲得許多重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖8為碲鎘汞霍爾器件磁阻一磁場關(guān)系曲線，圖9是碲鎘汞霍爾器件使用本實(shí)用新型的低溫恒溫器獲得位形的最新的實(shí)驗(yàn)曲線，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在三維系統(tǒng)中出現(xiàn)具有準(zhǔn)二維特征物理象，為對(duì)這一新的物理現(xiàn)象給出解釋，目前正在從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究。
本實(shí)用新型有如下有益效果1.提供了在深低溫、強(qiáng)磁場下樣品位形能在0°至90°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的恒溫器，滿足電子輸運(yùn)對(duì)位形研究的要求。
2.低溫下能置換樣品，一次實(shí)驗(yàn)?zāi)苤梅哦K樣品。
3.溫度范圍1.12K至300K，最低溫度維持時(shí)間可達(dá)6小時(shí)。
權(quán)利要求1.一種能調(diào)樣品位形的低溫恒溫器，包括樣品架(1)、低溫恒溫器(2)、主氦池杜瓦(3)和超導(dǎo)磁體(4)，其特征在于a.磁體(402)經(jīng)過吊桿(401)置于主氦池杜瓦(3)的主氦池(308)中；通過低溫恒溫器(2)的法蘭(205)與主氦池杜瓦(3)的內(nèi)杜瓦法蘭(302)對(duì)接，低溫恒溫器(2)伸入主氦池杜瓦(3)的主氦池(308)內(nèi)，低溫恒溫器(2)內(nèi)置樣品的恒溫室部位伸入超導(dǎo)磁體(4)中的腔體(403)內(nèi)；通過樣品架(1)的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)口(109)與低溫恒溫器(2)的標(biāo)準(zhǔn)口(201)對(duì)接，使樣品架伸入置于低溫恒溫器(2)中；b.所說的樣品架(1)由主桿(107)與齒輪齒條固定支架(103)連接，在主桿(107)上置有低真空抽口(121)與測量引線電纜座(106)，位形調(diào)節(jié)桿(104)裝入主桿(107)內(nèi)，位形調(diào)節(jié)桿密封環(huán)(105)分別與位形調(diào)節(jié)桿(104)、主桿(107)連接，位形調(diào)節(jié)桿(104)與樣品旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒條(101)連接，樣品旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒條(101)能通過齒條鎖定鈕(102)鎖定，樣品旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒輪(122)裝入固定支架(103)，帶有角度刻度的齒輪壓板(124)與固定支架(103)固定，齒輪旋轉(zhuǎn)鈕(123)與旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)齒輪(122)固定，樣品架主桿密封環(huán)(108)與供低溫恒溫器(2)對(duì)接的樣品架滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)口(109)對(duì)接后再與樣品架主桿(107)連接，樣品架主桿(107)與過渡法蘭(120)連接，過渡法蘭(120)與樣品架過渡管(111)連接，引線熱沉柱(110)與過渡管(111)連接，過渡法蘭(119)與過渡管(111)連接，樣品恒溫基座(112)與過渡法蘭(119)連接，樣品位形調(diào)節(jié)齒條(113)置于樣品恒溫基座(112)內(nèi)與位形調(diào)節(jié)桿(104)連接，樣品轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪(115)裝入樣品恒溫基座(112)，齒輪壓板(125)與樣品恒溫基座(112)固定，樣品基片(118)安裝在樣品轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪(115)上，在樣品恒溫基座(112)上置有測量引線孔(114)，銠鐵溫度計(jì)涂上真空油脂裝入溫度計(jì)基座(116)，用康銅絲繞在樣品恒溫基座(112)上的電爐基座(117)上。c.所說的低溫恒溫器(2)，由主管(207)分別與法蘭(205)、恒溫器減壓口(203)、球閥(202)、恒溫器外法蘭(208)連接，球閥(202)與供對(duì)接樣品架(1)的標(biāo)準(zhǔn)口(201)連接，頸管(216)分別連接恒溫器外法蘭(208)、內(nèi)法蘭(210)和限流環(huán)(214)，高真空管(206)穿過法蘭(205)并與其連接，高真空管(206)的一端與恒溫器外法蘭(208)連接，另一端置有高真空閥及抽口(204)，恒溫器外法蘭(208)連接針閥(217)，針閥內(nèi)含有部件密封波紋管(218)，針閥調(diào)節(jié)桿(219)分別與針閥(217)、法蘭(205)連接，針閥調(diào)節(jié)桿密封環(huán)(220)裝入法蘭(205)擰緊，針閥調(diào)節(jié)鈕(221)與針閥調(diào)節(jié)桿(219)連接，恒溫器內(nèi)法蘭(210)連接恒溫器內(nèi)體(212)，恒溫器外法蘭(208)連接恒溫器外體(209)，恒溫器外體(209)與恒溫器內(nèi)體(212)之間為恒溫器高真空室(211)，內(nèi)體(212)的內(nèi)腔體是供置放樣品的恒溫室(213)，在針閥(217)和恒溫室(213)之間裝有相通的毛細(xì)管(215)。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種能調(diào)樣品位形的低溫恒溫器，在強(qiáng)磁場和深低溫下樣品能在0°至90°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，其主要由可調(diào)位形的樣品架，低溫恒溫器，主氦池杜瓦和超導(dǎo)磁體組成，溫度范圍為1.12K至300K，磁場場強(qiáng)可達(dá)12特斯拉，并可以在低溫下置換樣品。為電子輸運(yùn)特性研究提供了一種全新的裝置。
文檔編號(hào)F25D3/10GK2255022SQ95246609
公開日1997年5月28日 申請(qǐng)日期1995年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月8日
發(fā)明者郭少令, 鄭國珍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所