[實(shí)用新型]一種能夠?qū)崿F(xiàn)低溫和真空環(huán)境下6軸運(yùn)動(dòng)的樣品操縱臺(tái)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202220548131.3
• 申請日: 2022-03-14
• 公開（公告）號(hào): CN217542941U
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪曉平;王振中
• 申請（專利權(quán)）人: 長三角先進(jìn)材料研究院
• 主分類號(hào): G01N23/2204
• 分類號(hào): G01N23/2204;G01N23/20033
• 代理公司: 南京智造力知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32382
• 代理人: 汪芬

本實(shí)用新型公開了一種能夠?qū)崿F(xiàn)低溫和真空環(huán)境下6軸運(yùn)動(dòng)的樣品操縱臺(tái)，包括四軸移動(dòng)臺(tái)；設(shè)置于四軸移動(dòng)臺(tái)上的真空腔體；設(shè)置于真空腔體內(nèi)的傾角轉(zhuǎn)臺(tái)、面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)、樣品臺(tái)；所述樣品臺(tái)可轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)上，所述面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)可轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在傾角轉(zhuǎn)臺(tái)上；所述面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)、傾角轉(zhuǎn)臺(tái)均采用壓電驅(qū)動(dòng)；設(shè)置于四軸移動(dòng)臺(tái)內(nèi)的低溫插桿，所述低溫插桿插入真空腔體內(nèi)，所述低溫插桿的低溫源通過熱導(dǎo)材料分別連接傾角轉(zhuǎn)臺(tái)、面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)。本操縱臺(tái)采用了壓電驅(qū)動(dòng)真空腔體內(nèi)樣品臺(tái)、傾角轉(zhuǎn)臺(tái)和面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)，摒棄了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠有效提高樣品真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)控制的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于樣品操縱臺(tái)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低溫和真空環(huán)境下6軸運(yùn)動(dòng)的樣品操縱臺(tái)。

背景技術(shù)

在光電子能譜、X射線非彈性散射、中子散射等表征技術(shù)中，需要低溫樣品操縱臺(tái)用于在真空環(huán)境內(nèi)，將樣品的位置及方向在6個(gè)自由度上移動(dòng)至特定的位置，同時(shí)可以將樣品降低到幾開爾文的溫度。

此種樣品操作臺(tái)，通常包括XYZP四軸臺(tái)和中心的低溫插桿。XYZP四軸臺(tái)，由非低溫的XYZ三維移動(dòng)臺(tái)以及一維極向(Polar)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)構(gòu)成。Polar轉(zhuǎn)動(dòng)采用真空差分轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成，可以在不影響真空的情況下，實(shí)現(xiàn)360°范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)。中心的低溫插桿，帶有2軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即傾角轉(zhuǎn)動(dòng)(tilt)和面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(Azimuth)。當(dāng)前設(shè)計(jì)中，2軸轉(zhuǎn)動(dòng)均采用真空外馬達(dá)，通過真空旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入器，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳入到真空內(nèi)，最終通過多組齒輪組傳到樣品角度轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，中心低溫插桿，采用液氦制冷或氦氣冷泵方式，及導(dǎo)熱機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)樣品的低溫制冷。

六軸移動(dòng)除了前面提到的XYZ+Polar四個(gè)維度的移動(dòng)外，還有樣品面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(Azimuth) 和傾角轉(zhuǎn)動(dòng)(Tilt)。但是這種轉(zhuǎn)動(dòng)都在真空環(huán)境內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)有技術(shù)中，后兩種轉(zhuǎn)動(dòng)采用純機(jī)械齒輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，原理圖見下圖4。

13為樣品臺(tái)，即整個(gè)裝置樣品安裝的位置，樣品可獲得低溫環(huán)境。12為面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)，與樣品臺(tái)13機(jī)械連接在一起。面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可帶動(dòng)樣品臺(tái)13面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái) 12安裝在傾角轉(zhuǎn)臺(tái)11上。傾角轉(zhuǎn)臺(tái)11轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)12和樣品臺(tái)13一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

傾角(Tilt)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞過程：真空外馬達(dá)依次帶動(dòng)第一真空旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入器5、第一萬向節(jié)6、第一轉(zhuǎn)軸7、第一聯(lián)軸器8、第一齒輪組9轉(zhuǎn)動(dòng)，由第一齒輪組9帶動(dòng)與傾角轉(zhuǎn)臺(tái)直接連接的第三齒輪組10轉(zhuǎn)動(dòng)，最后第三齒輪組10帶動(dòng)傾角轉(zhuǎn)臺(tái)11轉(zhuǎn)動(dòng)。在傾角轉(zhuǎn)臺(tái)11 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)12和樣品臺(tái)13將隨著傾角轉(zhuǎn)臺(tái)11一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樣品上的傾角Tilt轉(zhuǎn)動(dòng)。

面內(nèi)(Azimuth)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞過程：真空外馬達(dá)依次帶動(dòng)第二真空旋轉(zhuǎn)導(dǎo)入器5a、第二萬向節(jié)6a、第二轉(zhuǎn)軸7a、第二聯(lián)軸器8a、第二齒輪組9a轉(zhuǎn)動(dòng)，由第二齒輪組9a帶動(dòng)第三萬向節(jié)16轉(zhuǎn)動(dòng)，第三萬向節(jié)16隨后帶動(dòng)與面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)直接連接的第四齒輪組10a轉(zhuǎn)動(dòng)，最后第四齒輪組10a帶動(dòng)面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)12轉(zhuǎn)動(dòng)。在面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，樣品臺(tái)13將隨著面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)12一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樣品上的面內(nèi)角Azimuth轉(zhuǎn)動(dòng)。

通常，在面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中比傾角轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中多了一個(gè)傳動(dòng)組件(第三萬向節(jié) 16)。這個(gè)傳動(dòng)組件是為了實(shí)現(xiàn)在傾角轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)能跟著傾角轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)所必須的一個(gè)柔性連接機(jī)構(gòu)。

同時(shí)，樣品臺(tái)13通過銅辮子14連接到最低溫源1a上，以獲得樣品臺(tái)13最低溫度。屏蔽罩15連接到次低溫源1b上，將低溫樣品臺(tái)13及其它部件包裹在次低溫環(huán)境之內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)13獲得更有效的低溫。面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)12和傾角轉(zhuǎn)臺(tái)11直接或通過銅辮子或其它低溫轉(zhuǎn)到機(jī)構(gòu)，與次低溫源1b相連接。

但是上述設(shè)計(jì)在傾角轉(zhuǎn)動(dòng)(tilt)和面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(Azimuth)的機(jī)構(gòu)上，采用多組齒輪實(shí)現(xiàn)的機(jī)械傳動(dòng)導(dǎo)致了精度問題，表現(xiàn)為如下四個(gè)個(gè)方面：

1)轉(zhuǎn)動(dòng)精度差：通過多組齒輪傳動(dòng)(9、9a、10、10a)、柔性軟軸或萬向節(jié)(6、6a)、萬向節(jié)或波紋管(16)等復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后，導(dǎo)致樣品真實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)精度難以控制。當(dāng)前技術(shù)下，精度最優(yōu)可達(dá)到0.1度。