一种聚焦离子束扫描电子显微镜可旋转低温样品台

1.本发明涉及电子显微镜技术领域，尤其涉及一种聚焦离子束扫描电子显微镜的可旋转低温样品台。


背景技术：

2.通常，扫描电子显微镜利用聚焦电子束扫描样品表面以获得样品的表面形貌像，而聚焦离子束扫描电子显微镜则是在电子束的基础上添加了聚焦离子束，它的作用是对样品表面进行刻蚀，随后再对新的表面进行扫描成像，如此循环往复操作便可以获得样品的三维成像效果。
3.近些年来，借助于低温冷冻技术，聚焦离子束扫描电子显微镜在生命科学领域得到了广泛关注，尤其涉及生物样品的三维成像技术。而要实现这一技术，有两大技术难点。首先，生物样品中通常含有70%-80%的水分，不能直接放于电子显微镜中进行刻蚀或观察，因为水在真空下会挥发，影响电子显微镜的真空度，甚至造成镜筒和探测器的污染，损害仪器的正常功能。目前，通过对含水样品快速冷冻处理可以获得接近实际的样品状态。但在随后的样品刻蚀和观察时，则需要使样品一直保持在足够低的温度，如此才能持续维持样品的真实结构。而低温样品台则是实现这一功能的核心装置，其中高效的冷却效率便是低温样品台的关键技术；另一方面，要实现样品的三维成像，则需要样品台具备旋转的功能，以便进行多角度的成像，进而开展三维结构的重建，最终得到样品的立体结构形貌。
4.目前业内使用的低温样品台最大的技术问题集中体现为：高效的冷却效率和旋转功能不可兼顾。具体体现为具备较高冷却效率的样品台不具备旋转功能，而具备旋转功能的样品台冷却效率低下。另一方面，目前应用于聚焦离子束刻蚀的低温样品台一次只能装载两个样品，工作效率低下，难以满足实验需求。再者，目前单独采用通过控制冷却介质流量的控温方案，延迟较大，难以实现对目标温度的精确控制。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种同时实现高效冷却和旋转功能的低温样品台，以提高工作效率和控温精度。通过样品台冷却通道的优化设计以及滚动与滑动摩擦相结合的传动方案，可在实现360度旋转的同时大大提高冷却效率；另一方面，通过独特的传动机构设计可以实现样品台在保持自身体积不变的前提下，一次装载四个样品，比现有产品效率提升一倍；再者，通过引入加热元件辅助温控系统的精细调节，可以提供一种控温精确的低温样品台解决方法。具体技术方案如下：一种聚焦离子束扫描电子显微镜可旋转低温样品台，包括样品台本体和样品载台组件，所述样品台本体上设有燕尾槽，所述样品载台组件包括燕尾槽接头，所述燕尾槽与燕尾槽接头配合，实现样品台本体和样品载台组件的紧密贴合。
6.进一步地，所述样品载台组件还包括样品载台本体、样品载台定位槽、样品槽、样品槽第一盖板、样品槽第一连杆、样品槽第二盖板、样品槽第二连杆、第一过渡连杆、第二过
渡连杆、中间连杆、连杆结构凹槽以及连杆限位销。所述样品槽用于盛放样品。所述样品台载台定位槽与样品台本体中安装的样品载台定位销配合，用于样品载台装载时的定位。
7.进一步地，样品载台组件装载时，通过设置于样品台本体上的样品载台挡架驱动样品槽第一盖板展开，进而带动样品槽第一连杆运动，进而依次带动第一过渡连杆、中间连杆、第二过渡连杆、样品槽第二连杆、样品槽第二盖板运动，暴露出所要观察的样品，最终实现一次装载可刻蚀和观察四个样品。
8.进一步地，所述样品槽第一盖板自由端稍长，可以实现与样品载台挡架的接触。而所述样品槽第二盖板自由端较短，可以通过样品载台挡架的限制。优选地，所述样品槽第一盖板和样品槽第二盖板通过卡簧部件紧密贴合在样品载台本体上，有效防止了样品传输过程中对样品的污染和损害。
9.进一步地，所述样品槽第一盖板侧面与样品槽第一连杆固定连接，所述样品槽第二盖板侧面与样品槽第二连杆固定连接。所述多个连杆之间通过铰链实现连接。
10.进一步地，样品载台本体上设有连杆限位销，可以有效避免连杆机构运动时的死点和反向。
11.进一步地，所述样品载台本体上还设有连杆机构凹槽，为连杆机构的执行提供运动空间，同时也减小了样品载台本体的质量，进而减少了冷量的损失。
12.进一步地，所述样品载台本体上设有槽孔结构，以减小样品载台本体的质量，进而减少冷量的损失。
13.进一步地，所述样品台本体中安装有弹簧波珠，两者通过螺纹连接。所述弹簧波珠通过内置弹簧元件和螺纹连接可以灵活调整样品台本体和样品载台本体的接触间隙，有效保证传热的高效性。
14.进一步地，所述样品台本体中还安装有温度传感器。所述温度传感器为圆柱状，圆柱端头为测温点，紧密贴合样品载台组件中的燕尾槽接头侧表面，圆柱侧表面为隔热材料，通过螺纹与样品台本体实现连接，如此可保证所测温度接近样品的实际温度，进一步保证了控温的准确性。
15.进一步地，所述样品台本体中安装有加热棒，通过导热硅脂与样品台本体的通孔实现紧密配合，有效保证了热量的高效传递，进一步保证了控温的精确性。
16.进一步地，所述推力滚子轴承组件包括推力滚子轴承动圈、推力滚子轴承滚子、推力滚子轴承支架和推力滚子轴承静圈。所述推力滚子轴承动圈与所述样品台本体底部壳体实现紧密配合，在保证传动的同时，最大化换热效率。
17.进一步地，所述推力滚子轴承动圈与滚子线性接触，在实现传动的同时最大化传热的效率。
18.进一步地，所述推力滚子轴承滚子另一侧与推力滚子轴承静圈线性接触。所述推力滚子轴承静圈底部设有密集的冷却通道，并与推力滚子轴承静圈外壳中的冷却通道固定连接，进而形成除出入口外的密闭冷却通道，该密集冷却通道的设计可大大提升样品台的冷却效率。
19.进一步地，推力滚子轴承静圈外壳与样品台本体底部外壳密切接触，为滑动摩擦，如此可增大换热面积，进一步提升样品台冷却效率。
20.进一步地，所述推力滚子轴承静圈外壳通过侧面的冷却介质入口和冷却介质出口
分别与冷却介质入口接头和冷却介质出口接头实现连接，保证冷却介质的可靠传输。
21.进一步地，所述推力滚子轴承静圈外壳底部通过螺栓与隔热板连接，且两者之间保留一定的间隙，如此可大大减小冷却通道中冷量的损失，有效保证了冷却的高效性。优选地，所述螺栓采用强度较高的隔热材料。
22.进一步地，所述隔热板与样品台底座通过螺纹连接。所述样品台底座与电子显微镜底座固定连接。同时，所述样品台底座侧面开有通气孔，直接与电子显微镜腔室连通，通过真空隔热进一步减少了冷量的损失，提高了样品台的冷却效率。
23.进一步地，所述传动杆采用强度较高的隔热材料，上端与样品台本体连接，下端与电子显微镜自身旋转模块连接，把旋转运动传送至样品台本体，最终实现样品台本体360度的旋转。
24.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：一、同时兼顾高效的冷却效率和旋转功能；二、一次装载四个样品，效率提升一倍；三、引入加热元件，控温精度提升。
附图说明
25.图1为本发明的聚焦离子束扫描电子显微镜可旋转低温样品台装配图；图2为样品载台组件装配图；图3为样品载台组件的剖面视图；图4为可旋转低温样品台剖面视图；图5为推力轴承静圈下视图；图6为推力轴承静圈外壳俯视图；图中附图标记含义：01-样品台本体、02-样品载台组件、0201-样品载台本体、0202-样品载台定位槽、0203-燕尾槽接头、0204-样品槽、0205-样品槽第一盖板、0206-样品槽第二盖板、0207-样品槽第一连杆、0208-样品槽第二连杆、0209-第一过渡连杆、0210-中间连杆、0211-第二过渡连杆、0212-连杆机构凹槽、0213-连杆限位销、0214-槽孔结构、03-样品载台定位销、04-样品载台挡架、05-弹簧波珠、06-温度传感器、07-加热棒、08-冷却介质入口接头、09-冷却介质出口接头、10-推力滚子轴承组件、101-推力滚子轴承动圈、102-推力滚子轴承滚子、103-推力滚子轴承支架、104-推力滚子轴承静圈、11-推力滚子轴承静圈外壳、111-冷却介质入口、112-冷却介质出口、12-隔热板、13-样品台底座、131-通气孔、14-传动杆、15-冷却通道、16-螺栓。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
27.如图1所示，本发明聚焦离子束扫描电子显微镜可旋转低温样品台，包括样品台本体01、样品载台组件02、样品载台定位销03、样品载台挡架04、弹簧波珠05、温度传感器06、加热棒07、冷却介质入口接头08、冷却介质出口接头09、推力滚子轴承组件10、推力滚子轴承静圈外壳11、隔热板12、样品台底座13、传动杆14、冷却通道15、螺栓16。
28.所述样品台本体01上设有样品载台定位销03，与样品载台组件02中的样品载台定位槽0202实现配合，用于样品载台组件02装载时的定位。优选地，所述样品台本体01采用导热性能优异的紫铜材料制作。
29.所述样品台本体01上设有燕尾槽011，与所述样品载台组件02中的燕尾槽接头0203实现配合。
30.所述燕尾槽011内壁中设有间隙调节组件，优选地，本实施例中采用弹簧波珠05。所述弹簧波珠05通过螺纹连接于样品台本体01的一侧，并通过螺纹与内部弹簧的配合可灵活调整样品载台本体0201与样品台本体01的接触间隙，进而防止频繁上下样品导致的两者之间的配合间隙增大，有效保证了样品台本体01和样品载台组件02之间传热的高效性，进一步保障了样品所处的低温状态和样品的质量。
31.如图2所示，所述样品载台组件02包括样品载台本体0201、样品载台定位槽0202、燕尾槽接头0203、样品槽0204、样品槽第一盖板0205、样品槽第二盖板0206、样品槽第一连杆0207、样品槽第二连杆0208、第一过渡杆0209、中间连杆0210、第二过渡杆0211、连杆机构凹槽0212、连杆限位销0213以及样品载台槽孔结构0214。特别地，所述样品槽0204用于放置待加工和观察的样品，优选地，样品载台本体0201采用导热性能优异的紫铜材料制作。
32.如图3所示，样品载台组件02装载时，通过设置于样品台本体01上的样品载台挡架04驱动样品槽第一盖板0205展开，从而带动样品槽第一连杆0207运动，进而依次带动第一过渡连杆0209、中间连杆0210、第二过渡连杆0211、样品槽第二连杆0208、样品槽第二盖板运动0206，暴露出所要观察的样品，最终实现一次装载可刻蚀和观察四个样品，避免了在连续加工和观察多个样品时反复释放设备真空并重新抽真空的操作，以及反复的样品冷冻固定和传输工作，大大提升了工作效率。
33.所述样品槽第一盖板0205自由端稍长，可以实现与样品载台挡架04的接触。而所述样品槽第二盖板0206自由端较短，可以通过样品载台挡架04的限制。优选地，所述样品槽第一盖板0205和样品槽第二盖板0206通过卡簧部件紧密贴合在样品载台本体0201上，有效防止了样品传输过程中对样品的污染和损害。
34.所述样品槽第一盖板0205侧面与样品槽第一连杆0207固定连接，所述样品槽第二盖板0206侧面与样品槽第二连杆0208固定连接。所述多个连杆之间通过铰链实现连接。
35.样品载台本体0201上设有连杆限位销0213，可以有效避免连杆机构运动时的死点和反向。
36.所述样品载台本体0201上还设有连杆机构凹槽0212，为连杆机构的执行提供运动空间，同时也减小了样品载台本体的质量，进而减少了冷量的损失。
37.所述样品载台本体上设有槽孔结构0214，以减小样品载台本体的质量，进而减少冷量的损失。
38.所述样品台本体01上安装有温度传感器06，所述温度传感器06为圆柱状，圆柱的端头为测温点，与样品载台组件02中燕尾槽接头0204的侧面紧密接触，而圆柱的侧壁为隔热材料，通过螺纹与样品台本体01实现连接，由此保证所测温度可以准确反映样品的实际温度，进而保证了控温的准确性。
39.所述样品本体01上还有安装有加热元件，优选地，本实施例中采用加热棒07。所述加热棒07通过导热硅脂与样品台本体01中的通孔实现紧密连接，进而保证了换热的高效
性，有力保证了控温的精确性。
40.如图4所示，所述推力滚子轴承组件10包括推力滚子轴承动圈101、推力滚子轴承滚子102、推力滚子轴承支架103和推力滚子轴承静圈104。所述推力滚子轴承动圈101与所述样品台本体01底部壳体实现紧密配合，在保证传动的同时，最大化换热效率。所述推力滚子轴承动圈101与推力滚子轴承滚子102为线接触，在保证传动的同时，最大化换热效率。优选地，推力滚子轴承组件10采用兼顾高传热系数和高耐磨性的铜合金材料制作。
41.推力滚子轴承滚子102另一侧与推力滚子轴承静圈104线性接触，依然在保证传动的同时，最大换热效率。
42.如图5所示，所述推力滚子轴承静圈104，设有密集的冷却通道，可大大提升冷却介质与推力滚子轴承静圈104的热交换，进一步提升冷却效率。
43.如图6所示，所述推力滚子轴承静圈外壳11上同样设有密集的冷却通道，与推力滚子轴承静圈104固定连接，最终获得除了出入口外的密闭冷却通道15。优选地，两者可通过扩散焊工艺实现原子层次的固定连接，有效保证了结构的强度和密封性。
44.所述推力滚子轴承静圈外壳11通过侧面的冷却介质入口111和冷却介质出口112分别与冷却介质入口接头08和冷却介质出口09接头实现连接，保证冷却介质的可靠传输。
45.所述推力滚子轴承静圈外壳11与样品台本体01底部壳体密切接触，传动时为滑动摩擦。如此，通过滚动摩擦和滑动摩擦的结合，可在保证传动可靠性的同时，最大化地提升换热效率，进而提高样品台的冷却效率。
46.所述推力滚子轴承静圈外壳11底部通过螺栓16与隔热板12实现连接，并且隔热板12与推力滚子轴承静圈外壳11底部保留一定的间隙，进一步减少冷量损失。
47.进一步地，隔热板12与样品台底座13通过螺纹连接。所述样品台底座13侧面开设有通气孔，与电子显微镜中的真空环境连通，通过真空隔热，进一步减少了冷却介质冷量的损失，提升了冷却效率。
48.所述传动杆14采用强度较高的隔热材料制作，其上端与样品台本体01连接，下端与电子显微镜中的旋转模块连接，如此便可把旋转运动传送至样品台本体01，最终实现样品台本体01以360度旋转。
49.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。