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)。

　　離子阱低溫超高真空系統(tǒng)由真空腔體，真空抽氣系統(tǒng)(包括干泵、分子泵、離子泵和鈦升華泵復(fù)合泵) ，脈管制冷機，溫度監(jiān)測及控制設(shè)備，真空測量及顯示設(shè)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(huán)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(jié)構(gòu)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(guī)管接口，電離規(guī)管接口，光學(xué)窗口等接口。這些接口的密封均采用不同規(guī)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(fù)合泵隔斷或連通，與大氣隔斷或連通。

圖1 真空腔體三維設(shè)計圖

2、真空抽氣系統(tǒng)

　　真空抽氣系統(tǒng)包括預(yù)抽氣系統(tǒng)和主抽氣系統(tǒng)，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(tǒng)全區(qū)域潔凈無油，預(yù)抽氣系統(tǒng)由干泵 和渦輪分子泵 組成，干泵和分子泵之間設(shè)置電磁閥，防止真空系統(tǒng)在突然斷電情況下，大氣進入分子泵，損壞高速旋轉(zhuǎn)的分子泵葉片。由于真空腔體上裝有制冷機冷頭，該設(shè)備加熱溫度不能高于100 ℃，從而降低了整個系統(tǒng)的烘烤溫度。設(shè)計中分子泵僅作為主抽氣系統(tǒng)的預(yù)抽泵。真空技術(shù)網(wǎng)(www.lalazzu.cn)根據(jù)主抽氣系統(tǒng)開啟壓力為5.0 × 10^-6 Pa，并以此計算出真空腔體所需要預(yù)抽系統(tǒng)的有效抽速，從而選擇渦輪分子泵抽速及極限壓力。

　　渦輪分子泵的壓縮比的關(guān)系式^[2]如下:

　　式中M—被抽氣體的分子; μ—轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速; g—泵比幾何系數(shù)。

　　從上式可見，在轉(zhuǎn)速和泵比幾何系數(shù)一定的條件下，渦輪分子泵的壓縮比與氣體分子質(zhì)量的關(guān)系是氣體分子的質(zhì)量越大，它的壓縮比越大，反之則小。而對一些輕質(zhì)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(zhì)量越大的氣體其獲得的分壓強越低，反之，質(zhì)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(tǒng)中，殘余氣體的主要成分是一些輕質(zhì)氣體，主要是氫氣。同時，超高真空系統(tǒng)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(shè)備中，鈦升華泵是一種結(jié)構(gòu)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(zhì)量小的惰性氣體對真空系統(tǒng)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(fù)合泵作為真空系統(tǒng)的主抽氣系統(tǒng)。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(shè)備中主抽氣系統(tǒng)啟動壓力為5.0 × 10^-6 Pa，預(yù)抽氣系統(tǒng)用于排出真空腔體和復(fù)合泵空間內(nèi)大量的氣體負(fù)載和空氣中殘留的水分。主抽氣系統(tǒng)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(biāo)定的DT670 二極管溫度傳感器來實現(xiàn)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(xiàn)對離子阱溫度控制。

4、真空度測量

　　根據(jù)極限真空的要求，選擇安捷倫convectTorr 型號規(guī)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(guī)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(guī)管在使用前都經(jīng)過了校準(zhǔn)。

 5、脈管制冷機

　　根據(jù)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(fù)載情況下最低溫度可以達(dá)到2.8 K，制冷量指標(biāo)為1.35W-4.2K with 36W-45K^[3]。