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)測及控制系統(tǒng)、脈管制冷機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真空腔體進(jìn)行抽真空對比試驗，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。文章最后對該系統(tǒng)的研制過程以及結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，提出了適用于同類低溫超高真空系統(tǒng)設(shè)計與研制的相關(guān)結(jié)論。
1、引言
離子阱是一種利用電荷與電磁場間的交互作用力來牽制帶電粒子運動的裝置，常被用于原子光譜研究中，以提高光譜測量精確度。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，分子的熱運動與溫度有密切關(guān)系，溫度越低，分子運動越不劇烈，為了削弱被研究離子的運動能力，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)境對離子阱裝置是必不可少的。真空技術(shù)網(wǎng)(www.lalazzu.cn)設(shè)計了一套離子阱低溫超高真空系統(tǒng)，操作簡單，可靠性高，經(jīng)過性能測試，各項指標(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
http://www.lalazzu.cn/systemdesign/042985.html
4、系統(tǒng)裝配、調(diào)試及結(jié)果分析
http://www.lalazzu.cn/systemdesign/042986.html
5、結(jié)果分析
系統(tǒng)中離子泵和鈦升華泵復(fù)合泵對系統(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，在干泵開啟的狀態(tài)下，烘烤時間不少于24 h，然后打開分子泵，離子泵、鈦升華泵復(fù)合泵對真空系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行24 h 的抽氣，在加熱過程中對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)試過程中，多次對已經(jīng)使用過的各型號CF 法蘭無氧銅墊( CF200 ～ CF16) 進(jìn)行二次使用，并經(jīng)氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，在第二次使用時對法蘭的預(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 來看，制冷機在開始的常溫狀態(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，脈管制冷機的制冷量降低。從圖5 來看，在制冷機開啟的前15 min，真空度變壞，表明此時制冷機冷頭及離子阱溫度沒有低到可以冷凝吸附氣體的程度，反而由于剛開啟制冷機的這段時間，壓縮氣體發(fā)熱致使真空度變壞。結(jié)合圖4 和圖5 來看，脈管制冷機在系統(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，利用制冷機冷頭及離子阱表面冷凝和吸附氣體的物理過程獲得和保持系統(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 個數(shù)量級，表明溫度是影響真空系統(tǒng)極限真空的重要因素。
參考文獻(xiàn):
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