離子阱低溫超高真空系統的組成
離子阱是一種常用于光譜研究的裝置，低溫超高真空環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、溫度監測及控制系統、脈管制冷機等組成的離子阱低溫超高真空系統。
離子阱低溫超高真空系統由真空腔體，真空抽氣系統(包括干泵、分子泵、離子泵和鈦升華泵復合泵) ，脈管制冷機，溫度監測及控制設備，真空測量及顯示設備以及超高真空手動閥等組成。
1、真空腔體
真空腔體主要作用是為離子阱工作提供超高真空低溫環境，如圖1 所示，真空腔體分為上下兩段，上下間采用CF200 法蘭連接。真空腔體上段筒體布置2 支電測量饋通接口，用以溫度、真空度的測量和離子阱的通電，其密封形式為CF16刀口密封。制冷機冷頭連接在真空腔體上段，由制冷機冷頭結構所限，此處密封只能選擇“O”型圈，材料為氟橡膠。離子阱連接在制冷機二級冷頭底部，兩者之間墊銦片以減小接觸熱阻。防輻射屏連接在制冷機一級冷頭上，以減小輻射漏熱[1]，防輻射屏材料為紫銅，整體鍍鎳處理。真空腔體下段布置真空抽口，電阻規管接口，電離規管接口，光學窗口等接口。這些接口的密封均采用不同規格的CF 法蘭刀口密封形式。真空抽口處通過CF40 四通連接四只超高真空手動閥，分別用于與真空腔體隔斷或連通、與干泵、分子泵機組隔斷或連通，與離子泵和鈦升華泵復合泵隔斷或連通，與大氣隔斷或連通。
圖1 真空腔體三維設計圖
2、真空抽氣系統
真空抽氣系統包括預抽氣系統和主抽氣系統，分別與真空腔體通過CF40 金屬波紋管相連。為保證整個真空系統全區域潔凈無油，預抽氣系統由干泵 和渦輪分子泵 組成，干泵和分子泵之間設置電磁閥，防止真空系統在突然斷電情況下，大氣進入分子泵，損壞高速旋轉的分子泵葉片。由于真空腔體上裝有制冷機冷頭，該設備加熱溫度不能高于100 ℃，從而降低了整個系統的烘烤溫度。設計中分子泵僅作為主抽氣系統的預抽泵。真空技術網(smsksx.com)根據主抽氣系統開啟壓力為5.0 × 10-6 Pa，并以此計算出真空腔體所需要預抽系統的有效抽速，從而選擇渦輪分子泵抽速及極限壓力。
式中M—被抽氣體的分子; μ—轉子的轉速; g—泵比幾何系數。
從上式可見，在轉速和泵比幾何系數一定的條件下，渦輪分子泵的壓縮比與氣體分子質量的關系是氣體分子的質量越大，它的壓縮比越大，反之則小。而對一些輕質量的氣體，它的壓縮比就小。從渦輪分子泵的極限壓強( Pf) [2]來看:
Pf = P0/K
式中P0—前級壓強; K—壓縮比。
由(1) 式和(2) 式可見: Pf∝P0 /e( M1 /2，μ，g) ，質量越大的氣體其獲得的分壓強越低，反之，質量越小的氣體其獲得的分壓強越高。因此，渦輪分子泵抽氣的真空系統中，殘余氣體的主要成分是一些輕質氣體，主要是氫氣。同時，超高真空系統中，材料放出的氣體組分也以氫氣為主[3]，這就限制了極限真空的提高。在真空獲得設備中，鈦升華泵是一種結構簡單，造價低，使用方便，對氫氣等活性氣體抽速大的無油真空泵，選擇鈦升華泵來彌補渦輪分子泵對氫氣抽氣能力小的缺點，同時考慮分子質量小的惰性氣體對真空系統極限真空的影響，而濺射離子泵對惰性氣體有大的抽速，選擇離子泵和鈦升華泵復合泵作為真空系統的主抽氣系統。為了最大限度減少鈦的消耗量，以延長鈦升華器使用壽命，設備中主抽氣系統啟動壓力為5.0 × 10-6 Pa，預抽氣系統用于排出真空腔體和復合泵空間內大量的氣體負載和空氣中殘留的水分。主抽氣系統主要用于超高真空階段排氣。
3、溫度測量及控制
選擇LakeShore 336 型號溫控儀配合已標定的DT670 二極管溫度傳感器來實現對離子阱壁面溫度進行測量，在離子阱壁面放置加熱電阻采用熱對抗的方式實現對離子阱溫度控制。
4、真空度測量
根據極限真空的要求，選擇安捷倫convectTorr 型號規管進行低真空測量，量程為1.0 × 10 -1 ～ 105 Pa，選擇安捷倫UHV-24P 型號規管進行高真空測量，量程為6.7 × 10-10 ～ 1.0 × 10-1 Pa，選擇安捷倫XGS -600真空計進行顯示。兩支規管在使用前都經過了校準。
5、脈管制冷機
根據真空腔體輻射漏熱，考慮振動對離子阱工作的影響，選擇PT415-RM 型號脈管制冷機對離子阱降溫，制冷機無負載情況下最低溫度可以達到2.8 K，制冷量指標為1.35W-4.2K with 36W-45K[3]。
