離子阱低溫超高真空系統(tǒng)的研制
離子阱是一種常用于光譜研究的裝置，低溫超高真空環(huán)境是其工作的基本條件。介紹了一套由真空腔體、真空抽氣系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)、脈管制冷機(jī)等組成的離子阱低溫超高真空系統(tǒng)。在三種不同條件下對(duì)真空腔體進(jìn)行抽真空對(duì)比試驗(yàn)，分析了影響真空系統(tǒng)極限真空的關(guān)鍵因素。采用超高真空獲得方法與工藝，真空系統(tǒng)在常溫和低溫狀態(tài)下分別獲得了1.9 × 10-8 Pa 和5.0 × 10-10 Pa 的真空度，在高真空絕熱條件下，離子阱最低溫度達(dá)到3.9 K。文章最后對(duì)該系統(tǒng)的研制過(guò)程以及結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，提出了適用于同類(lèi)低溫超高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制的相關(guān)結(jié)論。
1、引言
離子阱是一種利用電荷與電磁場(chǎng)間的交互作用力來(lái)牽制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的裝置，常被用于原子光譜研究中，以提高光譜測(cè)量精確度。為了研究某種離子，須將離子阱置于超高真空( 優(yōu)于5. 0 × 10-10 Pa) 環(huán)境中; 另一方面，分子的熱運(yùn)動(dòng)與溫度有密切關(guān)系，溫度越低，分子運(yùn)動(dòng)越不劇烈，為了削弱被研究離子的運(yùn)動(dòng)能力，須將離子阱置于低溫( 小于4.2 K) 環(huán)境中。即低溫超高真空環(huán)境對(duì)離子阱裝置是必不可少的。真空技術(shù)網(wǎng)(smsksx.com)設(shè)計(jì)了一套離子阱低溫超高真空系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)。
2、技術(shù)指標(biāo)
(1) 真空腔體常溫極限真空度: 優(yōu)于5.0 × 10-8 Pa ; (2) 真空腔體低溫工作真空度: 優(yōu)于6.0 × 1 -10 Pa3，離子阱外表面溫度: 低于4.2 K。
3、系統(tǒng)組成
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4、系統(tǒng)裝配、調(diào)試及結(jié)果分析
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5、結(jié)果分析
系統(tǒng)中離子泵和鈦升華泵復(fù)合泵對(duì)系統(tǒng)真空度的提高起到了很明顯的作用，僅用干泵和渦輪分子泵組成的預(yù)抽系統(tǒng)達(dá)不到極限真空度的要求;
真空系統(tǒng)烘烤，對(duì)獲得超高真空是必不可少的手段[5]。為達(dá)到最好的除氣效果，在干泵開(kāi)啟的狀態(tài)下，烘烤時(shí)間不少于24 h，然后打開(kāi)分子泵，離子泵、鈦升華泵復(fù)合泵對(duì)真空系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行24 h 的抽氣，在加熱過(guò)程中對(duì)鈦升華泵鈦絲及電離規(guī)規(guī)管進(jìn)行除氣，停止加熱24 h 后系統(tǒng)回到常溫后，系統(tǒng)達(dá)到極限真空。調(diào)試過(guò)程中，多次對(duì)已經(jīng)使用過(guò)的各型號(hào)CF 法蘭無(wú)氧銅墊( CF200 ～ CF16) 進(jìn)行二次使用，并經(jīng)氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，在第二次使用時(shí)對(duì)法蘭的預(yù)緊力比第一次大，可以保證1.0 × 10-8 Pa·L /s 的漏率要求。
從圖4 來(lái)看，制冷機(jī)在開(kāi)始的常溫狀態(tài)到55 min 后的6.1 K 之間降溫速度較快，而在60 min 后的4.2 K到75 min 后的3.9 K 降溫速度慢，表明隨著系統(tǒng)溫度的降低，脈管制冷機(jī)的制冷量降低。從圖5 來(lái)看，在制冷機(jī)開(kāi)啟的前15 min，真空度變壞，表明此時(shí)制冷機(jī)冷頭及離子阱溫度沒(méi)有低到可以冷凝吸附氣體的程度，反而由于剛開(kāi)啟制冷機(jī)的這段時(shí)間，壓縮氣體發(fā)熱致使真空度變壞。結(jié)合圖4 和圖5 來(lái)看，脈管制冷機(jī)在系統(tǒng)中不僅僅是作為冷源，而且具有冷凝吸附的作用，抽真空系統(tǒng)達(dá)到極限真空后，利用制冷機(jī)冷頭及離子阱表面冷凝和吸附氣體的物理過(guò)程獲得和保持系統(tǒng)較高的真空度。真空系統(tǒng)從常溫下1.9 × 10-8 Pa 的極限真空到低溫下5.0 × 10-10 Pa 的極限真空，提高了近2 個(gè)數(shù)量級(jí)，表明溫度是影響真空系統(tǒng)極限真空的重要因素。
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