离子阱低温超高真空系统的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第十六研究所 作者:何超峰

  离子阱是一种常用于光谱研究的装置,低温超高真空环境是其工作的基本条件。介绍了一套由真空腔体真空抽气系统、温度监测及控制系统、脉管制冷机等组成的离子阱低温超高真空系统。在三种不同条件下对真空腔体进行抽真空对比试验,分析了影响真空系统极限真空的关键因素。采用超高真空获得方法与工艺,真空系统在常温和低温状态下分别获得了1.9 × 10-8 Pa 和5.0 × 10-10 Pa 的真空度,在高真空绝热条件下,离子阱最低温度达到3.9 K。文章最后对该系统的研制过程以及结果进行总结,提出了适用于同类低温超高真空系统设计与研制的相关结论。

1、引言

  离子阱是一种利用电荷与电磁场间的交互作用力来牵制带电粒子运动的装置,常被用于原子光谱研究中,以提高光谱测量精确度。为了研究某种离子,须将离子阱置于超高真空( 优于5. 0 × 10-10 Pa) 环境中; 另一方面,分子的热运动与温度有密切关系,温度越低,分子运动越不剧烈,为了削弱被研究离子的运动能力,须将离子阱置于低温( 小于4.2 K) 环境中。即低温超高真空环境对离子阱装置是必不可少的。真空技术网(www.chvacuum.com)设计了一套离子阱低温超高真空系统,操作简单,可靠性高,经过性能测试,各项指标均优于技术指标。

2、技术指标

  (1) 真空腔体常温极限真空度: 优于5.0 × 10-8 Pa ; (2) 真空腔体低温工作真空度: 优于6.0 × 1 -10 Pa3,离子阱外表面温度: 低于4.2 K。

3、系统组成

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4、系统装配、调试及结果分析

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5、结果分析

  系统中离子泵和钛升华泵复合泵对系统真空度的提高起到了很明显的作用,仅用干泵和涡轮分子泵组成的预抽系统达不到极限真空度的要求;

  真空系统烘烤,对获得超高真空是必不可少的手段[5]。为达到最好的除气效果,在干泵开启的状态下,烘烤时间不少于24 h,然后打开分子泵,离子泵、钛升华泵复合泵对真空系统继续进行24 h 的抽气,在加热过程中对钛升华泵钛丝及电离规规管进行除气,停止加热24 h 后系统回到常温后,系统达到极限真空。调试过程中,多次对已经使用过的各型号CF 法兰无氧铜垫( CF200 ~ CF16) 进行二次使用,并经氦质谱检漏仪检漏,在第二次使用时对法兰的预紧力比第一次大,可以保证1.0 × 10-8 Pa·L /s 的漏率要求。

  从图4 来看,制冷机在开始的常温状态到55 min 后的6.1 K 之间降温速度较快,而在60 min 后的4.2 K到75 min 后的3.9 K 降温速度慢,表明随着系统温度的降低,脉管制冷机的制冷量降低。从图5 来看,在制冷机开启的前15 min,真空度变坏,表明此时制冷机冷头及离子阱温度没有低到可以冷凝吸附气体的程度,反而由于刚开启制冷机的这段时间,压缩气体发热致使真空度变坏。结合图4 和图5 来看,脉管制冷机在系统中不仅仅是作为冷源,而且具有冷凝吸附的作用,抽真空系统达到极限真空后,利用制冷机冷头及离子阱表面冷凝和吸附气体的物理过程获得和保持系统较高的真空度。真空系统从常温下1.9 × 10-8 Pa 的极限真空到低温下5.0 × 10-10 Pa 的极限真空,提高了近2 个数量级,表明温度是影响真空系统极限真空的重要因素。

参考文献:

  [1]阎守胜,陆果. 低温物理实验原理与方法( 第一版) [M]. 北京: 科学出版社, 1985, 204 ~ 211.

  [2]Hennig J,王益芳. 改进涡轮分子泵性能的几项措施[J]. 真空技术报导, 1975,8( S1) : 28 ~ 32

  [3]Cryomech Inc. PT415RM CP1000 User Manual,2007, 25 ~ 40.

  [4]达道安. 真空设计手册( 第三版) [M]. 北京: 国防工业出版社, 2004, 297 ~ 324.

  [5]庞嬿婉. 超高真空工艺概要[J]. 真空与低温, 1984,3( 1) : 38 ~ 42.

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