CN113063967B - 可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可放置三维原子探针微尖阵列样品的旋转样品台，由于三维原子探针激光模式光路设计的问题，不能同时大批量分析微尖阵列样品，需要设计一种可以自由旋转的样品台，提高实验效率。本旋转样品台主要包括固定装置，齿条，齿轮，以及转动轴。三维原子探针微尖阵列台上有四排针尖阵列，在分析时由于针尖互相遮挡激光的问题，四排阵列上的纳米针尖无法同批次完成分析，两排分析完后需转动180°后方可分析另两排。本设备通过齿轮与齿条的传动，进而带动转动轴，可实现微尖阵列样品的转动，在不需要将其取出仪器的前提下实现转动，大大提高测试效率。

Description

可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置

技术领域

本发明为一种测试三维原子探针微尖阵列样品所用的旋转样品台，方便测试三维原子探针微尖阵列样品，属于三维原子探针测试时所用的配件。

背景技术

三维原子探针设备由飞行时间质谱仪、位置敏感探头和控制场蒸发系统等部件组成。曲率半径小于100nm的针尖样品表面的原子在强电场作用下离子化，场蒸发离开样品表面，飞行至位置敏感探头，记录飞行时间可实现对离子种类的逐一识别，从而获得各种元素在材料纳米空间内的三维分布情况，且能够实现近原子尺度的空间分辨率，是研究材料中纳米偏聚、析出等问题最有力的设备。三维原子探针样品的制备方式主要有两种：一种为电解抛光；另一种为聚焦离子束FIB切割。使用电解抛光要求材料能够被酸液腐蚀，以制备出针尖样品，针尖位置随机。如需分析特殊的感兴趣区，只能用FIB切割制样。FIB切割后的针尖样品通常放置在微尖阵列台上。微尖阵列台上有两组共四排位置，两组对向排列。每组两排可放置11个针尖样品，一排5个针尖样品，一排6个针尖样品，位置相互错开。但由于微尖阵列对激光遮挡的问题，在测试完一组的样品时，必须转动针尖样品台，以使另一组的纳米针尖样品能够被激光照射到进行测试。但传统的微尖阵列样品台在仪器中无法实现这一操作，必须将样品取出仪器，在仪器外进行这一操作。而样品取出仪器后，再放进仪器进行测试需要预抽6个小时的真空，以及进行降温等操作，用时较长，对于样品的连续测试极其不方便，并且升温降温过程可能会对样品显微组织有所影响。所以需要一种能够实现微尖阵列样品台转动的装置，且此操作能够在三维原子探针仪器内进行操作，可提高测试效率，降低不必要的测试数据干扰，这成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，通过齿轮与齿条的传动，进而带动转动轴，可实现微尖阵列样品的转动，可在三维原子探针仪器中使纳米针尖阵列实现180°或其他所需角度的转动，本发明在不需要将其取出仪器的前提下实现转动，大大提高测试效率。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，包括固定装置、齿轮齿条传动装置，所述固定装置为中空箱体式结构的装置，将固定装置设置在三维原子探针仪器的样品台上，在中空箱体式结构的装置的上侧设置限位孔，齿轮齿条传动装置由齿轮和齿条进行啮合连接组装，以齿轮为从动部件，以齿条为主动部件形成齿轮齿条传动机构，齿条从固定装置前侧或后侧穿过并水平设置和水平移动，齿条配有限位装置，防止齿条在传动过程中发生脱落；

与齿轮一体固定连接的转动轴上部从固定装置的上侧限位孔穿过，使转动轴顶端高出固定装置上表面，并使转动轴顶端表面形成旋转样品台，放置三维原子探针微尖阵列样品；转动轴下部设置在固定装置的箱体内，使转动轴下部与箱体底部转动连接；

设置所述齿轮在水平面内转动，从而带动转动轴水平转动；将所述旋转样品台装置整体放进三维原子探针仪器中，将三维原子探针微尖阵列样品放置在转动轴顶端表面上，当测完三维原子探针微尖阵列上的一组样品后，在测试另一组样品时不需要将三维原子探针微尖阵列样品从三维原子探针仪器中取出，只需用三维原子探针仪器内的样品杆推动齿条即可带动齿轮转动，继而带动转动轴以及转动轴上的微尖阵列样品转动，待转动到所需角度位置后，即可继续进行测试。

优选地，齿条长度为14～15mm，宽度为4～8mm，模数为1mm。

优选地，齿轮厚度为4～5mm，分度圆直径为12mm，齿数为12，模数为1mm，齿轮中心开有直径不小于2mm的孔，用于与转动轴进行固定装配。

优选地，传动轴长为9～11mm，直径不小于2mm。

优选地，所述固定装置为长方体形状的中空箱体式结构的装置，长为17-19mm，宽为17-19mm，高为7～9mm，箱体壁厚度为1～2mm。

优选地，所述固定装置为长方体形状的中空箱体式结构的装置，其中箱体前后两侧敞开，形成环状长方体形状，所述齿条沿着箱体前后方向移动。

优选地，在固定装置的下方一侧固定连接直径不小于2mm，长度为7～10mm的固定轴，通过固定轴将固定装置放置于三维原子探针仪器的样品台上。

优选地，固定轴和转动轴错位设置。

优选地，固定装置、齿轮、齿条、转动轴及相关配件采用铝、铜中的任意一种金属，或其合金制备而成。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明装置可实现微尖阵列的180°转动且旋转角度可控可调，这是现有微尖阵列样品台所无法做到的；

2.本发明装置所使用的结构简单，便于加工，维护成本低，仅依靠简单齿轮传动即可实现所需功能；

3.本发明装置各部分采用金属材料，具有良好的导电性，且不会影响设备内电场、磁场分布，高压下不会被摧毁，对被测试样品不会产生干扰；

4.本发明装置依靠转动装置用以测试微尖阵列样品，可以大幅度节约时间，提高样品的测试效率。

附图说明

图1为本发明旋转样品台装置的装配图。其中1为固定装置，2为齿轮，3为齿条，4为转动轴，5为固定轴。

图2为本发明旋转样品台装置的固定装置示意图。

图3为本发明旋转样品台装置的齿轮与齿条传动示意图。

图4为本发明旋转样品台装置的转动轴以及固定轴示意图。

图5为微尖阵列样品图。

图6为微尖阵列样品测试图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1-图6，一种可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，包括固定装置1、齿轮齿条传动装置；所述固定装置1为中空箱体式结构的装置，将固定装置1设置在三维原子探针仪器的样品台上，在中空箱体式结构的装置的上侧设置限位孔，齿轮齿条传动装置由齿轮2和齿条3进行啮合连接组装，以齿轮2为从动部件，以齿条3为主动部件形成齿轮齿条传动机构，齿条3从固定装置1前侧或后侧穿过并水平设置和水平移动，齿条3配有限位装置，防止齿条3在传动过程中发生脱落；

与齿轮2一体固定连接的转动轴4上部从固定装置1的上侧限位孔穿过，使转动轴4顶端高出固定装置1上表面，并使转动轴4顶端表面形成旋转样品台，放置三维原子探针微尖阵列样品；转动轴4下部设置在固定装置1的箱体内，使转动轴4下部与箱体底部转动连接；

设置所述齿轮2在水平面内转动，从而带动转动轴4水平转动；将所述旋转样品台装置整体放进三维原子探针仪器中，将三维原子探针微尖阵列样品放置在转动轴4顶端表面上，当测完三维原子探针微尖阵列上的一组样品后，在测试另一组样品时不需要将三维原子探针微尖阵列样品从三维原子探针仪器中取出，只需用三维原子探针仪器内的样品杆推动齿条3即可带动齿轮2转动，继而带动转动轴4以及转动轴4上的微尖阵列样品转动，待转动到所需角度位置后，即可继续进行测试。

本实施例可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台，包括固定装置1，中空，开有限位孔。齿条3、齿轮2以及转动轴4可以借此装配在一起，起到限位装配的作用。齿条3为施力装置，与齿轮2装配在一起，由固定装置进行限位。齿轮2放置在固定装置1中，与齿轮2进行装配，同时与转动轴4连接在一起，当齿轮2转动时，转动轴4会跟着转动。转动轴4与齿轮2采用过盈配合进行装配连接。由固定装置1中的限位孔进行固定限位，转动轴4顶端可放置三维原子探针微尖阵列样品。本实施例可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，通过齿轮与齿条的传动，进而带动转动轴，可实现微尖阵列样品的转动，可在三维原子探针仪器中使纳米针尖阵列实现180°或其他所需角度的转动，本发明在不需要将其取出仪器的前提下实现转动，大大提高测试效率。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，齿条3长度为14～15mm，宽度为4～8mm，模数为1mm。齿条3呈长方形，与齿轮2进行啮合，当齿轮2与转动轴4装配在一起并装配在固定装置1中时，齿轮2与固定装置1一端有一定间距，此间距即用于限位齿条3，齿条3为施力装置，与齿轮2装配在一起，齿条3两端配有限位装置，防止齿条在传动过程中发生脱落。

在本实施例中，齿轮2厚度为4～5mm，分度圆直径为12mm，齿数为12，模数为1mm，齿轮2中心开有直径不小于2mm的孔，用于与转动轴4进行固定装配。齿轮2借助固定装置1中的限位孔将齿轮2与转动轴4装配在一起。

在本实施例中，传动轴4长为9～11mm，直径不小于2mm。转动轴4与齿轮2之间采用过盈配合，并装配于固定装置1中的限位孔中，并与齿轮装配在一起，传动轴与齿轮之间采用过盈配合。原子探针微尖阵列样品可放置于转动轴4的上端。

在本实施例中，所述固定装置1为长方体形状的中空箱体式结构的装置，长为17-19mm，宽为17-19mm，高为7～9mm，箱体壁厚度为1～2mm。固定装置1上下开有限位孔，限位孔直径不小于2mm，用以装配、限位转动轴4。固定装置1开有限位孔，以限位转动轴。

在本实施例中，在固定装置1的下方一侧固定连接直径不小于2mm，长度为7～10mm的固定轴5，通过固定轴5将固定装置1放置于三维原子探针仪器的样品台上。固定轴5和转动轴4错位设置。

在本实施例中，固定装置1、齿轮2、齿条3、转动轴4及相关配件采用铝、铜中的任意一种金属，或其合金制备而成。

本实施例装置可实现微尖阵列的180°转动且旋转角度可控可调，这是现有微尖阵列样品台所无法做到的；本实施例装置所使用的结构简单，便于加工，维护成本低，仅依靠简单齿轮传动即可实现所需功能。

实施例三

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，所述固定装置1为长方体形状的中空箱体式结构的装置，其中箱体前后两侧敞开，形成环状长方体形状，所述齿条3沿着箱体前后方向移动。本实施例固定装置1结构简单，节省材料，便于齿轮2、齿条3、转动轴4的安装和维护，使用方便。

实施例四

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，各部分装配步骤如下：先将齿轮2的中心孔与固定装置1的限位孔对齐，然后将转动轴4插入限位孔和中心孔，限位孔与转动轴4之间为间隙配合，以实现转动轴的转动。转动轴4与齿轮2之间为过盈配合，以实现齿轮2带动转动轴4进行转动。由于固定装置1上下开有限位孔，可限制转动轴4左右错位，齿轮2放置固定装置中，可限制齿轮2上下错位，转动轴4与齿轮2之间为过盈配合，基于以上可实现齿轮2与转动轴4在固定装置1中不会错位。齿轮2、转动轴4与固定装置1装配完毕后，齿轮2与固定装置4一端留有一定间隙，齿条3可借助此间隙与齿轮2装配在一起，并起到限位作用。至此，旋转样品台装配完毕。将三维原子探针微尖阵列样品固定于转动轴4的上端，借助固定装置1下端的固定轴5将其放置固定于三维原子探针普通样品台上。放进仪器后，当测完纳米针尖阵列上的一组样品后，在转测另一组时不需要将其取出仪器，只需用原子探针仪器内的样品杆推动齿条3即可带动齿轮2转动，继而带动转动轴4以及转动轴上的微尖阵列样品转动，待转动180°后即可继续进行测试。

将所需要测试的样品首先磨制到FIB切割的要求，纳米针尖样品需要用FIB切割制备后焊接到微尖阵列台上，一个微尖阵列样品台有两组，每一组可以放置11根纳米针尖样品，如图5所示，用FIB制备好微尖阵列样品后即可固定在旋转样品台上转动轴的上端。

微尖阵列样品放置于转动轴4上后，将旋转样品台放置于普通三维原子探针样品台上，然后送入三维原子探针的第一舱室中，预抽6小时真空后，将样品台移入第二舱室，等待几分钟后放入分析室进行分析，如图6所示。

待微尖阵列样品第一组上的纳米针尖样品测试完毕后，用样品杆推动旋转样品台上的齿条3，齿条3带动齿轮2转动，继而带动转动轴4以及转动轴4上的微尖阵列样品，使微尖阵列样品发生转动，待转动至合适角度后，进行后续针尖的分析。

综上所述，由于三维原子探针激光模式光路设计的问题，不能同时大批量分析微尖阵列样品，需要设计一种可以自由旋转的样品台，上述实施例可放置三维原子探针微尖阵列样品的旋转样品台装置，提高实验效率。本旋转样品台主要包括固定装置1，齿条2，齿轮3，以及转动轴4。三维原子探针微尖阵列台上有四排针尖阵列，在分析时由于针尖互相遮挡激光的问题，四排阵列上的纳米针尖无法同批次完成分析，两排分析完后需转动180°后方可分析另两排。上述实施例设备通过齿轮2与齿条3的传动，进而带动转动轴4，可实现微尖阵列样品的转动，在不需要将其取出仪器的前提下实现转动，大大提高测试效率。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，包括固定装置（1）、齿轮齿条传动装置，其特征在于：所述固定装置（1）为中空箱体式结构的装置，将固定装置（1）设置在三维原子探针仪器的样品台上，在中空箱体式结构的装置的上侧设置限位孔，齿轮齿条传动装置由齿轮（2）和齿条（3）进行啮合连接组装，以齿轮（2）为从动部件，以齿条（3）为主动部件形成齿轮齿条传动机构，齿条（3）从固定装置（1）前侧或后侧穿过并水平设置和水平移动，齿条（3）配有限位装置，防止齿条（3）在传动过程中发生脱落；

与齿轮（2）一体固定连接的转动轴（4）上部从固定装置（1）的上侧限位孔穿过，使转动轴（4）顶端高出固定装置（1）上表面，并使转动轴（4）顶端表面形成旋转样品台，放置三维原子探针微尖阵列样品；转动轴（4）下部设置在固定装置（1）的箱体内，使转动轴（4）下部与箱体底部转动连接；

设置所述齿轮（2）在水平面内转动，从而带动转动轴（4）水平转动；将所述旋转样品台装置整体放进三维原子探针仪器中，将三维原子探针微尖阵列样品放置在转动轴（4）顶端表面上，当测完三维原子探针微尖阵列上的一组样品后，在测试另一组样品时不需要将三维原子探针微尖阵列样品从三维原子探针仪器中取出，只需用三维原子探针仪器内的样品杆推动齿条（3）即可带动齿轮（2）转动，继而带动转动轴（4）以及转动轴（4）上的微尖阵列样品转动，待转动到所需角度位置后，即可继续进行测试。

2.根据权利要求1所述可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，其特征在于：齿条（3）长度为14~15 mm，宽度为4~8mm，模数为1 mm。

3.根据权利要求1所述可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，其特征在于：齿轮（2）厚度为4~5 mm，分度圆直径为12 mm，齿数为12，模数为1 mm，齿轮（2）中心开有直径不小于2 mm的孔，用于与转动轴（4）进行固定装配。

4.根据权利要求1所述可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，其特征在于：传动轴（4）长为9~11 mm，直径不小于2 mm。

5.根据权利要求1所述可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，其特征在于：所述固定装置（1）为长方体形状的中空箱体式结构的装置，长为17-19mm，宽为17-19 mm，高为7~9 mm，箱体壁厚度为1~2 mm。

6.根据权利要求1所述可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，其特征在于：所述固定装置（1）为长方体形状的中空箱体式结构的装置，其中箱体前后两侧敞开，形成环状长方体形状，所述齿条（3）沿着箱体前后方向移动。

7.根据权利要求1所述可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，其特征在于：在固定装置（1）的下方一侧固定连接直径不小于2 mm，长度为7~10 mm的固定轴（5），通过固定轴（5）将固定装置（1）放置于三维原子探针仪器的样品台上。

8.根据权利要求7所述可实现三维原子探针微尖阵列样品转动的旋转样品台装置，其特征在于：固定轴（5）和转动轴（4）错位设置。

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