一种无液氦光谱学恒温器黑体辐射光源样品室

技术领域

本发明是无液氦光谱学恒温器一种样品室，具体涉及一种热绝缘的可置光源结构，涉及低温下的黑体辐射光源和屏蔽外界热辐射的冷屏结构，应用于对高灵敏度光电导性的半导体材料在低温下的光电特性研究，通过普朗克定律和能量守恒定律从而得到高灵敏度光电特性半导体材料在低温下的响应光谱。

背景技术

目前利用传统的单色光源系统对半导体材料进行光电特性研究，大多是通过窗口把光引入样品室，由于没有完全屏蔽，样品被单色光照射的同时也会受一个很强的背景黑体辐射300K影响。由于300K所辐射10μm波长的光，现存的光源系统不能满足波长在10μm以上的单色光，于是我们无法对微弱现象进行研究，比如对于高灵敏度光电特性的半导体材料，如果从外界引入单色光，背景辐射所辐射光能量往往大于我们所用单色光源的能量，在研究的结果数据中很难精准确定光源的激发光谱。

低温下半导体材料的热容是随着温度的降低而减少—德拜模型，所以在低温环境中，一个很弱的光就可以迅速将半导体材料加热，使其迅速升温，从而对应的光电特性也会改变。所以在低温环境中研究高灵敏度光电特性半导体材料需要一个可以完全屏蔽外界背景辐射的干扰，这样我们就需要一个在低温环境下能够激发可变波长光的黑体作为光源，由于低温样品室空间有限，在低温下工作的理想黑体光源并不容易找到。所以在研究高灵敏光电特性半导体材料，需要我们拥有一个能够在低温下工作的黑体辐射光源。

而对于现在市场上的恒温器样品室内没有设置安装光源的结构，他们仍然采用从窗口引入单色光源，如果安装光源，完全屏蔽的样品室内同时也缺少一个热绝缘的可置光源结构。

发明内容

本发明的目的设计一种无液氦光谱学恒温器黑体辐射光源的样品室，样品室在低温环境中达到完全屏蔽外界热辐射干扰，安装能够正常工作的理想型黑体辐射光源，同时要求具有与冷头热绝缘的可置光源结构，通过两个独立的温度计分别监测样品室和光源温度及其变化，从而应用于对高灵敏度光电导性的半导体材料在低温下的光电特性研究，通过普朗克定律和能量守恒定律从而得到高灵敏度光电特性半导体材料在低温下的响应光谱。

本发明的技术方案如下：

无液氦光谱学恒温器黑体辐射光源的样品室是有：底座101，防热辐射冷屏102，样品架103，内置温度计的铜块104，玻璃钢底座105，内置温度计小底座106，温度计107与加热电阻片108组成。

底座101是两个连体的圆形底盘结构，底盘大小根据已有的无液氦光谱学恒温器来设计，同时也确定圆盘圆心通孔的位置。上底盘光滑，下底盘侧壁带M50螺纹，圆盘的圆心位子设一小的通孔，仪器的信号线和其他的电源线穿过通孔固定，并用铝箔胶带密封。上底盘边缘上打有9个完全一样的通孔，其圆心是在以底盘为圆心Φ＝76.2mm的边上，具体位子105°、135°、180°阵列而成，可用M5的紫铜螺丝通过通孔将底座101固定在温控仪的冷头上。圆心水平位置的左侧，是M6螺纹孔，它与玻璃钢底座105相连接。在通过圆心水平线的垂直线上存在对称的两个M3螺纹孔,用来安装内置温度计的铜块104。圆心偏右有两个等距的M3螺纹孔,固定样品架103，详见附图1。

防热辐射冷屏102，内置M50螺纹8圈,冷屏侧壁对称存在四个大小一样的通孔,位置与温控仪窗口相对，以实现我们需要从外界光源引光至样品室内。但做黑体辐射光源系统时，用铝胶带将其密封，以保证完全屏蔽外界热辐射的作用，详见附图1。

样品架103,顶端两个固定样品架的耳朵，并设通孔,与底座101固定。根据我们不同的需求，目前样品架103设计有两种，一种可用于黑体辐射光源的1031、2，下端设两个螺孔M2.5可固定样品，样品可平放在有效的光照范围内。在底边上端的水平线上有两个M2.5螺纹孔，它们不仅可用来辅助固定样品的，而且用铜片连接可辅助样品架更有效的对样品进行降温与升温。另一种是装可见光源LED的样品架1033、4，光源LED可固定在最上端的通孔，样品固定在圆周围的四个M2.5螺纹孔上，详见附图2。

内置温度计的铜块104，是一长方体，铜块侧壁用通孔打穿，通孔大小略大于温度计107直径，温度计107就放置在通孔中，内置温度计的铜块104上下面打一通孔，用M3紫铜螺丝固定在底座101上，详见附图1。

玻璃钢底座105，这是一个热绝缘结构。上端是M6螺纹柱，共4圈螺纹,它与底座101相连接。下端为圆柱型，以圆柱中心设M4螺纹孔，它与内置温度计小底座106相连接。

内置温度计小底座106，下端为M4螺纹圆柱，可旋入玻璃钢底座105的中心螺纹孔内。内置温度计小底座106上端与长方体的铜块为一体。铜块内设一通孔，专门放置温度计107，详见附图1.

温度计107，圆柱形。分别放置在内置温度计铜块104与内置温度计小底座106体内，详见附图3。

加热电阻片108，以蓝宝石Al₂O₃为衬底的Ti-Au电阻，使用时是贴在内置温度计小底座106的侧面，作为整个的黑体辐射光源系统，详见附图4.

其特征是，所述的底座101用M4紫铜螺丝固定在恒温器的冷头上，样品架103用M3紫铜螺丝固定在底座101上，防热辐射冷屏102与底座101靠螺纹固定连接，样品架103用M3紫铜螺丝与底座101固定连接。内置温度计的铜块104用M3紫铜螺丝固定在底座101上，热绝缘的玻璃钢底座105与底座101靠螺纹固定连接，而内置温度计小底座106与玻璃钢底座105靠螺纹固定连接，温度计107分别装置在铜块104与小底座106内，以蓝宝石为衬底的加热电阻片108贴在内置温度计小底座106的侧壁，加热电阻片108与两个温度计107都与温控仪连接。

本发明的优点：样品室的防热辐射冷屏102内设一定高度的螺纹方便我们调控样品室内的空间大小。室内设有两个温度计107，可精确的监测样品室内温度与黑体辐射光源的不同温度。黑体辐射光源系统可以辐射10μm以上波长的单色光，与底座101用玻璃钢底座105热绝缘处理。光源系统的加热电阻片108以蓝宝石Al₂O₃为衬底的Ti-Au电阻，低温下非常稳定，蓝宝石导热性更有效的加热黑体辐射光源。黑体辐射光源系统的发光铜块表面镀Au，Au发射率ε～1。

附图说明

图1：样品室整体结构的二维剖面图，图中各部分为：底座101，防热辐射冷屏102，样品架103，内置温度计的铜块104，玻璃钢底座105，内置温度计小底座106，温度计107与加热电阻片108。

图2：样品架103，图(1)、(2)分别是可用于黑体辐射光源样品架侧面图与俯视图，图(3)、(4)分别是可装可见光源LED的样品架侧面图与俯视图。

图3：温度计107，测量范围1.4K～420K。

图4：加热电阻片108，以蓝宝石Al₂O₃衬底的Ti-Au电阻，在低温下Ti-Au电阻比较稳定。

图5：黑体光源和样品室的温度曲线。

图6：黑体光源温度100K的情况下，单位时间样品对不同波长光吸收的光子数曲线图。

图7：同一波长光样品的吸收功率与黑体光源温度的曲线图。

图8：实验测得的样品增长电流与黑体光源温度的曲线图。

具体实施方式

下面根据发明内容和附图说明给出本发明的一个较好的实例，结合实例进一步说明本发明技术细节、结构特征和功能特点。但此实例并不限制本发明范围，合乎发明内容和附图说明中描述的实例均应包含在本发明范围内。

两个温度计107我们选择温度的测量量范围为1.4K～420K，加热电阻片108我们取Ω＝100Ω。我们用温控仪分别测到样品室和黑体光源的温度为T和T_emitter。如图5所示。

当做降温实验时，降温至最低温样品室内的温度T＝2.25K，黑体光源的温度T_emitter＝4.2K，当我们把黑体光源即内置温度计小底座106打开即给它加热升温并设置T_emitter＝10K时，黑体光源迅速并稳定地达到设定温度10K，并通过恒温仪的自动调节系统并保持恒定的温度不变，当黑体光源的温度为10K时，我们从图5中可以明显看出样品室内温度T基本保持不变，而实际样品室内温度增长至2.27K，在极低温的环境下，对黑体光源加热，而加热电阻片108对样品室内温度的加热率为0.2％，显然玻璃钢底座105的绝热效果达到我们的要求。当关闭黑体光源时，温度也是迅速的达到稳定值T_emitter＝4.2K，同时表明我们关闭黑体光源系统时，黑体辐射对样品光照的延迟作用比较小。当我把光源温度设定为T_emitter＝100K时，也可稳定地达到设定的温度，由于加热的延迟效果，黑体光源的温度有一个加热的缓冲效果，温度会超过与低于100K的区间有个短暂的波动，通过温控仪自动调控，黑体光源很快达到设定的稳定值。这样的一个加热缓冲过程，是随着设定的T_emitter越高，缓冲时间越长。而我们可以从图5右上角的图中可以看到，当黑体光源达到我们设定的温度100K时，样品室温度受加热电阻片108热量的影响升至3.3K并稳定，此时加热电阻片108对样品室的加热率1％，加热功率随着加热电阻片108对黑体光源加热温度的升高而增大，但样品室内温度的增长在我们的接受范围之内。

由普朗克定律得，单位时间内的光子量：

Φ＝εM(λ，T_emitter)Ω△λ_dS/(hc/λ)

其中：

M(λ，T_emitter)＝(2hc²/λ⁵){exp(hc/λkT_emitter)-1}，

λ是激发光的波长，Temitter是黑体的温度，k是波尔兹曼常数k＝1.38×10-23J.K-1，c是光速c＝3.00×108m/s，h是普朗克常数h＝6.626×10-34J.s。S为黑体发光面积S＝2.5×10-5m2，△λd样品带宽，立体角Ω＝S0/d2,S0为样品表面积，d为光源据样品的距离。

我们取GaAs/AlGaAs双量子阱结构，样品面积S₀＝1×10^-5m²,△λ_d＝1μm,d＝3.5cm,Ω＝0.0082sr,T＝100K，如图6所示，单位时间能的样品吸收不同波长光的光子数曲线。

样品表面吸收光的功率P＝aΦhv＝aΦhc/λ，a＝1如图6所示，同一波长样品在不同温度下的吸收的功率曲线。

我们从实验测样品电流与黑体光源温度的曲线如图7所示，由△I＝RP，电流响应度R＝4×10⁴～4×10⁶A/W，能量守恒定律得样品增长的电流正比于样品吸收功率，曲线拟合对比从而得到GaAs/AlGaAs双量子阱的响应波长14.7μm。