感应加热式原子分子炉及其工艺的制作方法

1.本发明涉及原子分子源装置领域，具体涉及一种感应加热式原子分子炉及其工艺，适用于冷原子分子研究和应用领域。


背景技术：

2.冷原子分子物理主要研究冷原子分子的能级结构、运动规律、相互作用及其应用。在冷原子分子研究和应用中，一般通过制备原子分子的蒸汽作为样品源，这是因为相对于液态和固态，气态原子分子相互作用小，对原子分子内部结构和性质的影响小，有利于对原子分子内部结构进行高精度研究。对于常温下为气态的样品，可直接通过约束性小孔产生原子分子束流。对于常温下为固态或液态的样品，需要加热到一定温度，提高蒸汽压才能产生所需浓度的原子分子蒸汽。一般加热的方式有光子加热和电流加热。其中，光子加热利用光热效应，通过激光与靶材作用进行加热，但光与物质的相互作用比较复杂，不同样品对激光的要求不同，且激光器成本高，所以光子加热只适用于一些特殊应用的样品；电流加热利用电热效应，通过电流流过金属炉管加热，其原理简单，适用于绝大部分样品，并且此方式成本低、易控制，所以应用范围更广。
3.目前，常用的电流加热方式是在金属管两端加电流，利用金属管电阻的热效应进行直接电流加热。一般10～20a的电流可将金属管加热到300～500℃，并利用热传导效应对金属管内样品加热。但是，当需要对金属管加热到500℃以上时，加热功率受导线可承载电流限制，需要不断提高电流，此时，容易产生以下问题：1、随着导线上电流增加，导线自身温度升高，导致金属管加热效率降低，升温慢；2、导线与金属管直接连接，金属管升温也会向导线传热，导致导线外绝缘层熔化，不安全。
4.为了弥补直接电流加热产生的问题，感应加热是一种很好的解决方式。感应加热的基本原理是：一根金属导体置于通有交变电流的螺线管线圈中；螺线管线圈在周围产生交流磁场；交流磁场在金属导体上感应产生涡流；金属导体因涡流的热效应加热。一般地，螺线管线圈通10a的电流就可以将金属导体加热到1000℃以上。并且导线不与金属导体直接接触，可维持较低的温度，安全性好。此外，涡流加热的功率密度大，加热效率高，升温快，更适合用于在冷原子分子研究和应用中对样品进行加热。
5.综上所述，利用传统直接电流加热的方式将样品加热到500℃以上时，需要的电流过大，不安全，并且加热效率随温度上升而降低，导致升温慢。相比而言，感应加热是一种更好的解决方式，其特点是升温快、易控制、安全性好。


技术实现要素：

6.本发明的目的就在于针对现有的直接电流加热式原子分子炉存在的上述问题，提供一种感应加热式原子分子炉及其工艺。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.包括样品、金属管、陶瓷管、螺线管线圈、堵塞头、直流转换交流电路。采用本发明
的装置，解决了加热到高温时，直接电流加热需要不断增加电流，加热功率受导线可承载电流限制，加热效率降低，升温慢的问题。同时，该装置可以在保证电路功能稳定安全的情况下，将样品加热到1000℃以上，可以广泛用于冷原子分子研究和应用领域。
9.具体地说：
10.感应加热式原子分子炉包括样品、金属管、陶瓷管、螺线管线圈、堵塞头、陶瓷外壳、陶瓷盖板和直流转换交流电路；
11.样品置于金属管内，陶瓷管套在金属管外，螺线管线圈套在陶瓷管外，其不与陶瓷管直接接触，堵塞头堵住金属管一端；陶瓷外壳和陶瓷盖板用于支撑，金属管通过陶瓷外壳侧面的两孔，螺线管线圈两端抽头从陶瓷盖板上的两孔引出，接在直流转换交流电路的输出端上。
12.与现有直接电流加热的原子分子炉相比，本发明具有以下优点和积极效果：
13.在保证电路功能稳定安全的情况下，加热到1000℃以上，加热效率高，升温快，易控制，安全性好，可以广泛用于冷原子分子研究和应用领域。
附图说明
14.图1是本发明的结构爆炸图；
15.图2是直流转换交流电路原理图。
16.图中：
17.1—样品；
18.2—金属管；
19.3—陶瓷管；
20.4—螺线管线圈；
21.5—堵塞头。
22.6—陶瓷外壳；
23.7—陶瓷盖板；
24.8—直流转换交流电路；
25.dc—直流电源，
26.r1、r2、r3、r4—第1、2、3、4电阻，
27.d1、d2—第1、2稳压二极管，
28.d3、d4—第3、4快恢复二极管，
29.q1、q2—第1、2效应晶体管，
30.c—电容，
31.l1、l2—第1、2电感。
具体实施方式
32.以下结合附图和实施例详细说明：
33.一、感应加热式原子分子炉的结构
34.1、总体
35.如图1，感应加热式原子分子炉包括样品1、金属管2、陶瓷管3、螺线管线圈4、堵塞
头5、陶瓷外壳6、陶瓷盖板7和直流转换交流电路8；
36.样品1置于金属管2内，陶瓷管3套在金属管2外，螺线管线圈4套在陶瓷管3外，其不与陶瓷管3直接接触，堵塞头5堵住金属管2一端。陶瓷外壳6和陶瓷盖板7用于支撑，金属管2通过陶瓷外壳6侧面的两孔，螺线管线圈4两端抽头从陶瓷盖板7上的两孔引出，接在直流转换交流电路8的输出端上。
37.2、功能部件
38.1)样品1
39.为高纯度铍棒。
40.用于产生所需的原子分子蒸汽，加热到800℃可产生所需浓度的铍原子蒸汽。
41.2)金属管2
42.选用钽管，其耐高温、热稳定性好、电阻率大、磁导率大、延展性好，用于装载样品1。
43.3)陶瓷管3
44.为黑色氧化锆陶瓷，选用黑色氧化锆陶瓷，其耐高温、热稳定性好，可吸收金属管2发光，屏蔽部分热辐射。
45.4)螺线管线圈4
46.为紫铜绕制线圈，选用紫铜线均匀紧密螺旋缠绕，其导电性好，可减少自身电阻发热。
47.5)堵塞头5
48.选用钽制，其耐高温、热稳定性好，使原子分子蒸汽沿金属管2单向导出。
49.6)陶瓷外壳6
50.选用氧化铝陶瓷，用于支撑，可屏蔽部分热辐射。
51.其结构是一种长方形容器，左右侧壁分别设置有小孔，供陶瓷管3穿过。
52.7)陶瓷盖板7
53.选用氧化铝陶瓷，用于支撑，可屏蔽部分热辐射。
54.其结构是一种长方形板，左右两边分别设置有窗口，供螺线管线圈4的端头穿过。
55.8)直流转换交流电路8
56.直流转换交流电路8选用零电压开关电路；
57.具体地说，如图2，直流转换交流电路8包括螺线管线圈4，设置有直流电源dc，第1、2、3、4电阻r1、r2、r3、r4，第1、2稳压二极管d1、d2，第3、4快恢复二极管d3、d4，第1、2效应晶体管q1、q2，电容c，第1、2电感l1、l2；
58.构成一种并联谐振电路，其输出端连接螺线管线圈4。
59.通电后，将直流转换为交变电流，交变电流通过螺线管线圈4对金属管2感应加热，其内样品1升温。
60.直流转换交流电路8其技术成熟、可模块化、成本低。
61.本发明可以在保证电路功能稳定安全的情况下，加热到1000℃以上，加热效率高，升温快，易控制，安全性好，可以广泛用于冷原子分子研究和应用领域。
62.二、感应加热式原子分子炉的工艺
63.①
利用感应加热的方式加热样品(1)：
64.直流转换交流电路(8)输出端连接螺线管线圈(4)，通过螺线管线圈(4)在金属管(2)上产生涡流，再通过涡流的热效应加热样品(1)产生原子分子蒸汽；
65.②
所述的金属管(2)为耐高温、热稳定性好、电阻率大、磁导率大和延展性好的金属材料，选用钽、铌、钨、钼或及其合金。
66.三、具体实施例
67.具体实施时，若样品1为金属样品，螺线管线圈4对其直接有感应加热作用；金属管2内径可根据所需原子分子蒸汽束流的宽度调整；螺线管线圈4选用紫铜线均匀紧密螺旋缠绕，每匝均不相互接触，电感量0.5～1.0μh为宜；紫铜线线径1.5～2.0mm为宜；选择合适的螺线管线圈4直径，以确保金属管2可被感应到；螺线管线圈4匝数为10～20为宜，确保金属管2大部分长度在螺线管线圈4以内；若需要加热到更高的温度，螺线管线圈4选用更耐高温的钼线缠绕更为合适；堵塞头5堵住金属管2一端，使原子分子蒸汽沿金属管2单向导出；若金属管2采用一端开口、一端封闭的设计，则不需要堵塞头5；陶瓷外壳6和陶瓷盖板7仅用于支撑，可屏蔽部分热辐射，可根据实际需要采用不同的设计；直流转换交流电路8可选用输入电压12～24v，功率约200w的零电压开关电路模块，也可根据实际需要选用其他直流转换交流电路。
68.本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。