Сверхвысоковакуумная низкотемпературная установка для физических исследований в магнитном поле
Полезная модель относится к низкотемпературным криостатным устройствам, в частности, к установке для проведения низкотемпературных исследований наноструктур и может быть использована в технической физике для выращивания и исследования наноструктур в сверхвысоком вакууме при рабочих температурах до 0,3 К и во внешних магнитных полях до 5 Т. Сверхвысоковакуумная низкотемпературная установка содержит криогенную систему с резервуаром жидкого гелия, с системой перемещения измерительной камеры из рабочей зоны в зону смены образца, рефрижератор охлаждения на основе откачки паров изотопа гелий-3, сверхпроводящий соленоид, систему перемещения измерительной камеры, блок управления шаговым двигателем перемещения, датчики перемещения, систему открывающихся теплозащитных экранов и сверхвысоковакуумную камеру смены образца/ Установка снабжена сверхвысоковакуумной камерой подготовки образцов, воздушным шлюзом для загрузки образцов, системой перемещения образцов, системой обеспечения вакуума и основной платформой, криогенная система снабжена дополнительным резервуаром жидкого гелия и раздельными вакуумным и сверхвысоковакуумным объемами, при этом дополнительный резервуар жидкого гелия имеет возможность перемещения, а на основной платформе размещены все узлы установки.
Полезная модель относится к низкотемпературным криостатным устройствам, в частности, к установке для проведения низкотемпературных исследований наноструктур и может быть использована в технической физике для выращивания и исследования наноструктур в сверхвысоком вакууме при рабочих температурах до 0,3 К и во внешних магнитных полях до 5 Т.
Известны конструкции сверхвысоковакуумных криогенных систем для сканирующего туннельного микроскопа (далее СТМ). Большинство из них предназначены для измерений в магнитном поле, что существенно расширяет возможности установок.
Из серийно выпускаемых систем можно выделить 3 конструкции: производства немецкой фирмы «Омикрон» ("Omicron"), японской «Унисоку» ("Unisoku") и английской «Оксфорд Инструментс» ("Oxford Instruments").
Первые две системы представляют полностью законченные установки, "Оксфорд Инструментс" предлагает криогенную сверхвысоковакуумную приставку без СТМ и без вакуумной камеры.
Система "Омикрон" расчитана на диапазон температур от 5 К, загрузка образца производится манипулятором в СТМ в верхней части криостата, далее СТМ перемещается вниз, в холодную криостата, в центр соленоида, общее перемещение составляет примерно 1.5 м., тепловой контакт в работе осуществляется через два совмещаемых медных конуса. Недостатком такой конструкции является громоздкость из-за необходимости большого перемещения СТМ в сверхвысоком вакууме, плохой тепловой контакт СТМ и дополнительный источник шума при прокачке жидкого гелия. Достоинство установки - хорошо отработанная конструкция СТМ, удобная смена иглы и
образца, возможность подстыковки стандартного аналитического и другого сверхвысоковакуумного оборудования.
В японской системе "Унисоку" образец линейным манипулятором из верхней сверхвысоковакуумной камеры передается в холодную часть, где расположен СТМ. Недостатки - необходимость перемещать образец на большое расстояние и установка образца в СТМ "втемную". Последнее обстоятельство приводит к необходимости иметь СТМ с очень небольшим диапазоном (около 1 мм) выбора места сканирования иглы относительно поверхности образца. Достоинство установки - более простая конструкция по сравнению с «Омикрон» и возможность работы при температурах до 0.3 К. Криоприставка фирмы «Оксфорд Инструментс» дает возможность работать в диапазоне температур от 0.3 К до 300 К и при магнитных полях до 12 Т. Однако конструкция криостата-приставки оказалась довольно сложной и ненадежной. СТМ, закрепленный на градусной камере, для замены образца перемещается вниз системы, через систему открывающихся экранов в высоковакуумную камеру. СТМ и градусная камера соединены с остальной частью системы через два спиральных трубопровода откачки и электропроводку, при этом полный ход измерительной части составляет 0,5 м., а полная длина проводки составляет около 5 м, что вызывает проблемы при работе с СТМ.
Известна криогенная высоковакуумная установка, которая представляет собой компактную криогенную систему, при этом сверхвысокий вакуум достигается за счет криогенной откачки. Достоинством установки является компактность, недостатком системы - невозможность использования стандартного высоковакуумного оборудования для подготовки образцов, кроме этого, недостаточная мощность откачки не позволяет использовать ионную пушку или другие эффективные средства очистки поверхности, отсутствует дистанционная замена образца и иглы туннельного микроскопа. Криогенная система основана на гелии-4, что не позволяет достичь температуру ниже 1,5 К, в установке отсутствует магнитное поле, что также
накладывает ограничение на проводимые эксперименты. (Статья «Криогенная высоковакуумная установка для проведения сканирующей туннельной микроскопии» («Приборы и Техника Эксперимента», 1996 г., №1, стр.158-165, И.Н.Хлюстиков, B.C.Эдельман).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является сверхвысоковакуумная установка охлаждения сканирующего туннельного микроскопа в сильном магнитном поле. содержащая криогенную систему с резервуаром жидкого гелия, с системой перемещения измерительной камеры из рабочей зоны в зону смены образца, рефрижератор охлаждения на основе откачки паров изотопа гелий-3, сверхпроводящий соленоид, систему перемещения измерительной камеры, блок управления шаговым двигателем перемещения, датчики перемещения, систему открывающихся теплозащитных экранов и сверхвысоковакуумную камеру смены образца В предложенной конструкции измерительная головка СТМ перемещается вместе с градусной камерой и камерой откачки 3Не в камеру замены образца отдельно от остальной криогенной части. При этом подвижная часть связана с остальной частью криостата с помощью длинных витых капилляров и проводов, общая длина которых достигает 5 метров. Через эти капилляры производится откачка градусной камеры, а через провода - подключение СТМ или другой измерительной системы. Преимуществом такой конструкции является наличие одного общего объема жидкого гелия-4 для работы всей системы, недостатком - наличие гибких длинных соединительных линий между подвижной и неподвижной частей, которые работают при температуре жидкого гелия. (M.Kugler, Ch.Renner, O.Fisher, V.Mikheev and G.Batey "A 3 He Refrigerated Scanning Tunneling Microscope in High Magnetic Fields and Ultrahigh Vacuum" (Rev. Sci. Instr., vol.71, 3, p.1475).
Задачей являлось создание установки, в которой было бы возможно проводить подготовку или изготовление образцов в условиях сверхвысокого
вакуума, перемещение образца в измерительную систему, работающую при низких температурах без нарушения условий сверхвысокого вакуума и отогрева измерительной системы.
Поставленная задача решается предлагаемой сверхвысоковакуумной низкотемпературной установкой для физических исследований в магнитном поле, содержащей криогенную систему с резервуаром жидкого гелия, с системой перемещения измерительной камеры из рабочей зоны в зону смены образца, рефрижератор охлаждения на основе откачки паров изотопа гелий-3, сверхпроводящий соленоид, систему перемещения измерительной камеры, блок управления шаговым двигателем перемещения, датчики перемещения, систему открывающихся теплозащитных экранов и сверхвысоковакуумную камеру смены образца, которая снабжена сверхвысоковакуумной камерой подготовки образцов, воздушным шлюзом для загрузки образцов, системой перемещения образцов, системой обеспечения вакуума и основной платформой, криогенная система снабжена дополнительным резервуаром жидкого гелия и раздельными вакуумным и сверхвысоковакуумным объемами, при этом дополнительный резервуар жидкого гелия имеет возможность перемещения, а на основной платформе размещены все узлы установки.
На фиг.1 представлена схема конструкции заявляемой установки. Она состоит из нескольких основных частей: криогенная часть (1) с камерой замены образца (2), сверхвысоковакуумная камеры подготовки образца (3), воздушного шлюза (7) и общей конструкционной фермы (12). Вакуумные камеры разделены сверхвысоковакуумными задвижками (5 и 6), образцы перемещаются из одной камеры в другую с помощью линейных манипуляторов (8 и 9). Вся конструкция расположена на виброизоляторах (10) для уменьшения влияния внешних вибраций. Предварительная откачка осуществляется механическими насосами через клапан (11), сверхвысокий вакуум достигается прогревом всей установки и откачкой геттеро-ионными насосами (4).
Криогенная часть представлена на фиг.2. Она содержит раздельные вакуумный (14) и сверхвакуумный (15) объемы и состоит из следующих основных элементов: внешний кожух (16), гелиевый объем (17), азотный объем (18), дополнительный резервуар жидкого гелия (13) с возможностью закрепления образца снизу и сверхвакуумный камера для смены образцов (2). Магнитное поле создается при помощи сверхпроводящего магнита (19), находящегося в гелиевом объеме (17). Для уменьшения теплопритока к гелиевому объему (17), криостат снабжен отстыковывающимися токовводами (20). Дополнительный резервуар находится во внутренней части криостата, стенки его имеют азотную температуру. Зона сверхнизких температур в нижней части дополнительного резервуара жидкого гелия экранируется от внешнего теплового излучения при помощи набора скользящих экранов (21). Дополнительный резервуар линейно перемещается при помощи подъемного механизма (22) и тарельчатого сильфона с большим ходом (23). Полный ход дополнительного резервуара обеспечивает перемещение образца из «рабочего положения» в положение «смена образца». При перемещении дополнительного резервуара в положении «смена образца» скользящие экранирующие экраны (21) остаются в зоне криостата и открывают свободный доступ для смены исследуемого образца. Таким образом обеспечивается легкость смены исследуемого образца с загрузкой образца снизу.
На основной платформе размещены все узлы установки для удобства ее обслуживания.
Установка работает следующим образом. Образец помещается в специальный держатель, расположенный в воздушном шлюзе 7, и шлюз откачивается. После откачки шлюза открывается заслонка 6 и образец вводится при помощи манипулятора 8 в сверхвысоковакуумную камеру 3, где закрепляется на конце манипулятора 9. При помощи манипулятора образец может перемещаться вдоль всей высоковакуумной камеры и
помещаться в зону действия системы напыления, подготовки поверхности и в камеру 2 смены образца криогенной системы 1.
Для расширения возможностей экспериментов установка удовлетворяет следующими необходимыми требованиями: возможность работы в стабильных магнитных полях до 6 Т и расширенном рабочем диапазоне температур от 0,3 К до 300 К. Система представляет собой криогенную приставку с загрузкой образца «снизу», такая конструкция легко пристыковывается к стандартному сверхвысоковакуумному оборудованию и имеет небольшой ход измерительной части при замене образца. Обеспечена возможность приготовления образцов в условиях сверхвысокого вакуума, их изучения при помощи СТМ без влияния атмосферы, при непосредственном переносе образов в СТМ с их последующим охлаждением в условиях сверхвысокого вакуума. Система построена по модульному принципу -основой является криостат со сверхпроводящим соленоидом, в центре которого располагается перемещаемая вставка - система охлаждения СТМ. В зависимости от задач предоставляется возможность использовать низкотемпературные вставки - на диапазон температуры от 0.3 К до 4 К и выше. Конструкция обеспечивает подготовку и изготовление образцов, перемещение образцов в камеру СТМ и замену образцов «in situ», т.е. без нарушения сверхвысокого вакуума рабочей камеры. Система выполнена по модульному принципу, легко модернизируется и дополняется любым промышленным внешним аналитическим оборудованием, имеющим соединительные фланцы стандарта «conflat».
Одной из возможностей данной установки является исследование островковых пленок свинца на кремниевой подложке и алюминиевых микроструктур. Данные наноструктуры представляют собой мезоскопические сверхпроводящие объекты. В этих объектах длина когерентности в сверхпроводящем состоянии сравнима с размерами объекта, что приводит к таким явлениям в магнитных полях, как существование «большого вихря», «вихревых молекул» и других необычных систем.
Установка позволит проводить подобные и другие исследования методом туннельной спектроскопии, недоступные ранее.
Исследование мезоскопических сверхпроводящих структур и роли флуктуаций в таких структурах приобретает особую актуальность в связи с возможностью, создания одноэлектронных транзисторов, изготовленных непосредственно на мезоскопических структурах, использования подобных структур в качестве материальной среды для реализации квантового компьютера и элементов криоэлектронники.
Таким образом, заявляемая сверхвысоковакуумная низкотемпературная установка для физических исследований в магнитном поле позволяет проводить исследования наноструктур в сверхвысоком вакууме без его разрушения в рабочей камере.
1. Сверхвысоковакуумная низкотемпературная установка, содержащая криогенную систему с резервуаром жидкого гелия, с системой перемещения измерительной камеры из рабочей зоны в зону смены образца, рефрижератор охлаждения на основе откачки паров изотопа гелий-3, сверхпроводящий соленоид, систему перемещения измерительной камеры, блок управления шаговым двигателем перемещения, датчики перемещения, систему открывающихся теплозащитных экранов и сверхвысоковакуумную камеру смены образца, отличающаяся тем, что установка снабжена сверхвысоковакуумной камерой подготовки образцов, воздушным шлюзом для загрузки образцов, системой перемещения образцов, системой обеспечения вакуума и основной платформой, криогенная система снабжена дополнительным резервуаром жидкого гелия и раздельными вакуумным и сверхвысоковакуумным объемами, при этом дополнительный резервуар жидкого гелия имеет возможность перемещения, а на основной платформе размещены все узлы установки.
2. Сверхвысоковакуумная низкотемпературная установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный резервуар жидкого гелия имеет возможность извлечения из криогенной системы с целью использования различных типов рефрижераторов для обеспечения широкого диапазона рабочих температур.
