Устройство для получения охлаждаемого точечного контакта между металлическими электродами Советский патент 1991 года по МПК H01L21/28 

(Л

С

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при исследовании металлов методом микроконтактной спектроскопии, а также при создании чувствительных элементов радиотехнической аппаратуры (детекторов электромагнитного излучения, преобразователей частоты, магнитометров и др.) на основе охлаждаемых точечных контактов. Цель изобретения - повышение качества точечных контактов и экономия хладагента. Электроды перемещаются со скольжением в полости криоста- та. Форма поверхности электродов выполнена не ниже второго порядка, что обеспечивает многократное воспроизведение точечного контакта. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для получения электрических контактов малой площади между проводящими электродами, и может быть использовано при исследовании металлов методом микроконтактной спектроскопии, а также при создании чувствительных элементов радиотехнической аппаратуры (детекторов электромагнитного излучения, преобразователей частоты, магнитометров и др.) на основе охлаждаемых точечных контактов.

Цель изобретения - повышение качества точечных контактов и экономия хладагента.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство, вертикальный разрез (измерительные проводники, а так- же обойма блока редукторов условно не показаны, на фиг. 1-5 показаны электроды в

форме цилиндров); на фиг. 2 - схема расположения электродов в форме цилиндров относительно друг друга, продольной оси устройства и направлений перемещения одного электрода по отношению к другому (символы и стрелки); на фиг. 3 - регулятор поперечного перемещения электрода, разрез А-А на фиг. 1, вариант; на фиг. 4 - схематический вертикальный разрез соединений приводных валов с другими элементами устройства и радиальные разрезы каждого из соединений; на фиг. 5 - схематический разрез другого варианта регулятора поперечного перемещения электрода.

Два металлических электрода 1 и 2 (см. фиг. 1) закреплены внутри цилиндрического корпуса 3 охлаждаемой части устройства, размещенной внутри криостата 4. Электроды выполнены, например, в форме цилиндров, которые при получении контакта соприо

CJ

д

о го о

касаются боковыми поверхностями так, чтобы направление взаимного перемещения цилиндров в плоскости соприкосновения лежало между направлениями образующих боковых поверхностей цилиндров (см. фиг. 2) или в форме многогранников, которые соприкасаются ребрами. Корпус 3 имеет в нижней части окно для монтажа электродов 1 и 2, соединен своей верхней частью с нижним концом штока 5 через разъемное соединение 6, верхний конец штока 5 выведен наружу криостата 4 через закрепленное на горловине 7 криостата скользящее уплотнение 8 (выполненное, например, заодно с капкой криостата)с возможностью продольного перемещения и вращения. Поршень- винт 9 установлен внутри корпуса 3, например, на сильфоне 10 или в пазах корпуса 3 с возможностью продольного перемещения без вращения. Дифференциальный винт 11 выполнен полым и находится в резьбовом соединении с проходящим внутри него поршнем-винтом 9, а снаружи - с узлом 12 продольного транспортного перемещения электрода 2, выполненным в виде резьбовой втулки,укрепленной в корпусе 3 с возможностью вращения. Электрод 1 жестко соединен с нижней частью корпуса 3, а электрод 2 через упругий элемент 13 соединен с регулятором поперечного перемещения электрода, который прикреплен к поршню-винту 9 и состоит из (см.фиг. 1, 3) коромысла 14, поворотно закрепленного на полой оси-капилляре 15, которая укреплена на поршне-винте 9, пружины 16, навитой вокруг оси-капилляра 15 и резьбового пальца 17, выступающего из поршня-винта 9 и упирающегося в коромысло 14. Одно из плеч упругого элемента 13 проходит внутри оси-капилляра 15 и закреплено на коромысле 14, а другое плечо соединено с электродом 2. Внутри штока 5 (см. фиг. 1) коак- сиально ему и друг другу расположены приводные валы 18, 19, 20, которые соединены соответственно с регулятором поперечного перемещения электрода 2 (через резьбовой палец 17), дифференциальным винтом 11 и узлом 12 продольного транспортного перемещения (см. фиг. 4). Верхние концы приводных валов 18, 19, 20 выведены наружу криостата через вакуумные уплотнения 21 с возможностью независимого вращения и соединены каждый с одной из трех ведомых шестерней червячных зубчатых редукторов 22, 23, 24, которые закреплены в обойме блока редукторов, жестко соединенной со штоком 5. Измерительные проводники, под- ключенные к электродам .1 и 2, проходят через кольцевой электрический разъем 25, одна часть которого расположена в верхней

части корпуса 3, а другая - на нижней части штока 5, и выведены через шток 5 наружу криостата 4 для присоединения внешних приборов, причем электроды 1 и 2, упругий

элемент 13, а Также измерительные проводники электрически изолированы от остальных частей устройства.

Другой вариант исполнения регулятора поперечного перемещения электрода (фиг.

0 5) включает связанную с приводным валом 18 коническую зубчатую передачу 26 в закрепленной на поршне-винте 9 обойме 27 и подвижный элемент 28, связанный резьбовым соединением с осью 29 ведомой шес5 терни конической зубчатой передачи 26 и соединенный через упругий элемент 13 с электродом 2.

Устройство работает следующим образом.

0 Перед началом цикла охлаждения устройства электроды 1 и 2 с очищенной поверхностью монтируются внутри корпуса 3, отсоединенного от штока 5 и приводных валов 18, 19, 20. При монтаже электрод 1 за5 крепляется в нижней части корпуса 3, а электрод 2 крепится к упругому элементу 13 таким образом, чтобы электроды не соприкасались. Затем производится соединение корпуса 3 и штока 5 через разъемное соеди0 нение 6, приводные валы 18, 19, 20 состыковываются соответственно с регулятором поперечного перемещения электрода через резьбовой палец 17, дифференциальным винтом 11 и узлом 12 продольного транс5 портного перемещения электрода и соединяются части электрического разъема 25. Корпус 3 на штоке 5 помещается внутрь криостата 4, скользящее уплотнение 8 штока закрепляется на горловине 7 криостата и

0 затягивается.

Точечные контакты получают после охлаждения хладагентом частей устройства, находящихся в криостате4. В первом цикле получения контакта вначале при вращении

5 через редуктор 22 приводного вала 18 резьбовой палец 17 ввинчивается в поршень- винт 9 (фиг. 3) и надавливает на коромысло 14, которое поворачивается на оси-капилляре 15 вместе с упругим элементом 13 и элек0 тродом 2 до соприкосновения поверхностей электродов 1 и 2 в пределах упругой деформации, которое индицируется измерением электрического сопротивления между электродами 1 и 2. Затем при вращении через

5 редуктор 23 приводного вала 19 дифференциальный винт 11 ввинчивается по резьбо- вой поверхности узла 12 продольного транспортного перемещения электрода 2 и по резьбовой части поршня-винта 9, который при этом плавно перемещается внутри

корпуса 3 вдоль продольной оси устройства вниз, а контактирующие поверхности электродов 1 и 2 смещаются друг относительно друга. За счет усилия сдвига, которое возникает при таком смещении, в области соприкосновения электродов происходит срезание загрязнений их поверхностей и точечный контакт получается соприкосновением очищенных участков электродов. При этом высокое качество контакта обусловлено также тем, что металл на поверхности электродов существенно меньше деформируется под действием усилия сдвига, чем под действием усилия сжатия.

Перед следующим циклом получения контакта вначале при вращении через редуктор 22 приводного вала 18 резьбовой палец 17 вывинчивается из поршня-винта 9, коромысло 14 под действием пружины 16 поворачивается на оси-капилляре 15 до разъединения электродов 1 и 2. Затем при вращении через редуктор 23 приводного вала 19 дифференциальный винт 11 вывинчивается по резьбовой поверхности узла 12 продольного транспортного перемещения электрода 2 и по резьбовой части поршня- винта 9, который перемещается при этом внутри корпуса 3 вдоль продольной оси устройства вверх вместе с электродом 2 до исходного положения в предыдущем цикле получения контакта. После этого при вращении через редуктор 24 приводного вала 20 узел 12 продольного транспортного перемещения электрода 2 вращается в корпусе 3, выталкивает дифференициальный винт 11 и поршень-винт 9 со связанным с ними электродом 2 вниз на расстояние, превышающее перемещение электрода 2 относительно электрода 1 в предыдущем цикле получения контакта, после чего цикл получения контакта повторяется.

Во втором варианте исполнения регулятора поперечного перемещения электрода (см. фиг. 5) при вращении через редуктор 22 приводного вала 18 и шестерен конической зубчатой передачи 26 подвижный элемент 28 скользит без вращения по нижней части обоймы 27 и перемещает упругий элемент 13 с электродом 2 в направлении, перпендикулярном продольной оси устройства.

Контакт получают в каждом цикле между все новыми недеформированными участками поверхностей электродов, размер электродов вдоль образующих их боковой поверхности значительно превышает взаимное перемещение электродов в каждом цикле получения контакта, а узел 12 продольного транспортного перемещения электрода обеспечивает смещение электродов друг относительно друга вдоль всей длины образующих их боковых поверхностей, чем достигается получение большого числа точечных контактов высокого качества в одном цикле охлаждения устройства без отогрева криостата для замены деформированных электродов и чем достигается экономия хладагента. Повышение качества точечных контактов, в особенности между электродами из металлических монокристаллов, до0 стигается также вследствие улучшения условий монтажа и взаимного ориентирования электродов благодаря тому, что корпус

3отсоединяется при монтаже электродов от громоздкого што ка, редукторов, приводных

5 вало в и измерительных проводников. Дополнительная экономия хладагена достигается за счет возможности перемещения охлаждаемой части устройства вверх вдоль продольной оси на штоке 5, проходящем

0 через скользящее уплотнение 8 штока, для отогрева в верхней теплой части криостата

4без испарения хладагента. Экономия хладагента достигается также благодаря уменьшению массы охлаждаемой части устройст5 ва вследствие ее миниатюризации за счет того, что редукторы расположены снаружи криостата, а электроды расположены под дифференциальным винтом. При этом охлаждаемую часть устройства возможно по0 местить на место переливного сифона в наполненный жидким гелием транспортный сосуд Дьюара и использовать последний вместо криостата, чем исключаются потери хладагента на охлаждение собственно кри5 остата.

Использование в устройстве одной пары электродов для последовательного получения большого числа контактов высокого качества сокращает также расход чистых

0 металлов, в частности драгоценных, используемых для получения контактов.

Преимущество предлагаемого устройства заключается также в возможности размещения охлаждаемой части устройства

5 вследствие ее миниатюризации в соленоидах с малым диаметром рабочего канала.

При использовании устройства возможно также точное ориентирование точечного контакта внутри криостата 4 посредством

0 продольных перемещений и вращений штока 5 в скользящем уплотнении 8 штока. Формула изобретения 1. Устройство для получения охлаждаемого точечного контакта между металличе5 скими электродами, содержащее криостат, корпуса расположенные внутри него с возможностью точечного контакта два металлических электрода, один из которых закреплен на упругом элементе, дифференциальный винт и измерительные проводники,

подключенные к электродам, корпус расположен внутри криостата на штоке, дифференциальный винт связан с редуктором и приводным валом, проходящим внутри штока и выведенным наружу криостата, отличающееся тем, что, с целью повышения качества точечных контактов и экономии хладагента, контактирующие поверхности электродов выполнены в форме поверхностей не ниже второго порядка и размещены с возможностью взаимного скольжения.

упругий элемент соединен с регулятором поперечного перемещения электрода, прикрепленным к поршню-винту, приводные валы расположены внутри штока коаксиаль- но друг другу и штоку с возможностью неза висимого вращения через редукторы, расположенные вне криостата на штоке, который выведен наружу криостата через уплотнение с возможностью продольного перемещения и вращения.

Фиг. 2

А-А

AJL

Б±

в±

15

16

Фиг,з

27