离子阱低温超高真空系统的组成

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

  离子阱低温超高真空系统由真空腔体,真空抽气系统(包括干泵分子泵、离子泵和钛升华泵复合泵) ,脉管制冷机,温度监测及控制设备,真空测量及显示设备以及超高真空手动阀等组成。

1、真空腔体

  真空腔体主要作用是为离子阱工作提供超高真空低温环境,如图1 所示,真空腔体分为上下两段,上下间采用CF200 法兰连接。真空腔体上段筒体布置2 支电测量馈通接口,用以温度、真空度的测量和离子阱的通电,其密封形式为CF16刀口密封。制冷机冷头连接在真空腔体上段,由制冷机冷头结构所限,此处密封只能选择“O”型圈,材料为氟橡胶。离子阱连接在制冷机二级冷头底部,两者之间垫铟片以减小接触热阻。防辐射屏连接在制冷机一级冷头上,以减小辐射漏热[1],防辐射屏材料为紫铜,整体镀镍处理。真空腔体下段布置真空抽口,电阻规管接口,电离规管接口,光学窗口等接口。这些接口的密封均采用不同规格的CF 法兰刀口密封形式。真空抽口处通过CF40 四通连接四只超高真空手动阀,分别用于与真空腔体隔断或连通、与干泵、分子泵机组隔断或连通,与离子泵和钛升华泵复合泵隔断或连通,与大气隔断或连通。

真空腔体三维设计图

图1 真空腔体三维设计图

2、真空抽气系统

  真空抽气系统包括预抽气系统和主抽气系统,分别与真空腔体通过CF40 金属波纹管相连。为保证整个真空系统全区域洁净无油,预抽气系统由干泵 和涡轮分子泵 组成,干泵和分子泵之间设置电磁阀,防止真空系统在突然断电情况下,大气进入分子泵,损坏高速旋转的分子泵叶片。由于真空腔体上装有制冷机冷头,该设备加热温度不能高于100 ℃,从而降低了整个系统的烘烤温度。设计中分子泵仅作为主抽气系统的预抽泵。真空技术网(www.chvacuum.com)根据主抽气系统开启压力为5.0 × 10-6 Pa,并以此计算出真空腔体所需要预抽系统的有效抽速,从而选择涡轮分子泵抽速及极限压力。

  涡轮分子泵的压缩比的关系式[2]如下:

  式中M—被抽气体的分子; μ—转子的转速; g—泵比几何系数。

  从上式可见,在转速和泵比几何系数一定的条件下,涡轮分子泵的压缩比与气体分子质量的关系是气体分子的质量越大,它的压缩比越大,反之则小。而对一些轻质量的气体,它的压缩比就小。从涡轮分子泵的极限压强( Pf) [2]来看:

Pf = P0/K

  式中P0—前级压强; K—压缩比。

  由(1) 式和(2) 式可见: Pf∝P0 /e( M1 /2,μ,g) ,质量越大的气体其获得的分压强越低,反之,质量越小的气体其获得的分压强越高。因此,涡轮分子泵抽气的真空系统中,残余气体的主要成分是一些轻质气体,主要是氢气。同时,超高真空系统中,材料放出的气体组分也以氢气为主[3],这就限制了极限真空的提高。在真空获得设备中,钛升华泵是一种结构简单,造价低,使用方便,对氢气等活性气体抽速大的无油真空泵,选择钛升华泵来弥补涡轮分子泵对氢气抽气能力小的缺点,同时考虑分子质量小的惰性气体对真空系统极限真空的影响,而溅射离子泵对惰性气体有大的抽速,选择离子泵和钛升华泵复合泵作为真空系统的主抽气系统。为了最大限度减少钛的消耗量,以延长钛升华器使用寿命,设备中主抽气系统启动压力为5.0 × 10-6 Pa,预抽气系统用于排出真空腔体和复合泵空间内大量的气体负载和空气中残留的水分。主抽气系统主要用于超高真空阶段排气。

3、温度测量及控制

  选择LakeShore 336 型号温控仪配合已标定的DT670 二极管温度传感器来实现对离子阱壁面温度进行测量,在离子阱壁面放置加热电阻采用热对抗的方式实现对离子阱温度控制。

4、真空度测量

  根据极限真空的要求,选择安捷伦convectTorr 型号规管进行低真空测量,量程为1.0 × 10 -1 ~ 105 Pa,选择安捷伦UHV-24P 型号规管进行高真空测量,量程为6.7 × 10-10 ~ 1.0 × 10-1 Pa,选择安捷伦XGS -600真空计进行显示。两支规管在使用前都经过了校准。

 5、脉管制冷机

  根据真空腔体辐射漏热,考虑振动对离子阱工作的影响,选择PT415-RM 型号脉管制冷机对离子阱降温,制冷机无负载情况下最低温度可以达到2.8 K,制冷量指标为1.35W-4.2K with 36W-45K[3]

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