分子束外延(MBE)是一种在超高真空环境下制备高质量单晶薄膜的关键技术。为了实现极佳的材料纯度和精确的界面控制，MBE系统必须有效地抑制来自腔体内部的热辐射和残余气体污染。
一、 液氮制冷系统在MBE中的核心功能与重要性
液氮制冷系统通过其-196°C的极低温，主要实现以下三个关键功能：
热辐射屏蔽：MBE生长腔室内的加热源(如衬底加热块、 effusion cell
炉子)温度高达数百度甚至上千度，会产生强烈的热辐射。这些热辐射会直接或间接加热其他部件(如腔壁、快门)，导致其放气，破坏真空度，并成为污染源。液氮冷阱和
shrouds 通过吸收这些热辐射，极大地降低了腔室的背景热负载，维持了系统的热稳定性。
捕获残余气体： 即使在超高真空下，腔室内仍存在微量的残余气体分子(如H₂O, CO, CO₂,
O₂等)。这些分子一旦吸附在生长的晶格表面，就会成为致命的杂质。液氮冷却的表面(特别是内部包裹式冷屏)像一个“低温捕集器”，当残余气体分子碰撞到其表面时，会因失去动能而被牢牢“冻结”吸附，从而有效地将这些污染物从真空环境中移除，创造出一种“超洁净”的生长环境。这是获得高迁移率半导体材料(如GaAs、AlGaAs)的前提。
保护关键部件：
液氮系统也常用于冷却MBE的另一个核心部件——反射式高能电子衍射(RHEED)枪。RHEED枪在工作时会产生大量热量，若不有效冷却，其自身的热变形和放气会严重影响电子束的稳定性和真空度。液氮冷却确保了RHEED信号的稳定和精确，为原位实时监控晶体生长提供了保障。
二、 液氮制冷系统的组成与工作原理
一套完整的MBE液氮输送与循环系统通常由以下几部分组成：(需要根据客户系统情况配置)
液氮储罐/或小型液氮杜瓦： 大型的室外储罐或可移动的杜瓦瓶，用于储存液氮。
真空绝热传输管道： 连接液氮储罐和MBE主机的管道，其双层真空结构能大限度地减少液氮在输送过程中的汽化损失。
液氮纯化系统：即气液分离器，成套的液氮传输系统不可缺少气液分离器系统，用于纯化液氮在管路传输过程中所汽化的部分液体，并排出气体，保持系统温度低化。
分配与控制单元： 系统的“大脑”。通常包括：
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液位传感器： 实时监测冷阱内的液氮液位。
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电磁阀： 根据液位信号控制液氮的注入与切断。
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压力传感器： 调节输送压力。
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安全泄压阀： 在系统节点上安装泄压阀，确保系统压力不会过高，防止危险。
冷头/冷阱：安装在MBE腔室内部的终冷却部件。通常是围绕在生长区域周围的、内部有盘管或夹层的金属屏壁。液氮在其中循环，使其外表面温度降至极低。
系统的工作流程：
液氮液位传感器检测到冷阱内液位低于设定值后，发送信号给系统编程控制器，控制器打开电磁阀，液氮在罐体收到系统控制器模式下，自动增压，并通过真空管道流入冷阱，终使液位上升至设定值，电磁阀关闭。液氮在冷阱内吸热汽化后形成的氮气，通过专门的排气管道安全地排出系统。
液氮系统流程图
分离器结构
