離子阱低溫超高真空系統(tǒng)的裝配、調(diào)試及結(jié)果分析

離子阱低溫超高真空系統(tǒng)的裝配、調(diào)試及結(jié)果分析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(jī)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開展抽真空比照試驗(yàn)，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1.9×10-8Pa和5.0×10-10Pa的真空度，在高真空絕熱條件下，離子阱最低溫度到達(dá)3.9K。

1、系統(tǒng)裝配

系統(tǒng)裝配在潔凈間開展，在真空腔體裝配前，對所有不銹鋼零件按照超高真空系統(tǒng)清洗工藝清洗，并放入烘箱內(nèi)烘烤除氣，加熱溫度為250℃，持續(xù)時(shí)間為24h。真空腔體上所有焊接采用氬弧焊，并對焊縫用氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，保證每條焊縫及每個(gè)法蘭密封處的漏率低于1.0×10-8Pa·L/s，保證整個(gè)系統(tǒng)漏率小于5.0×10-8Pa·L/s。環(huán)境溫度20℃左右，對各項(xiàng)準(zhǔn)備工作檢查無誤后開機(jī)試驗(yàn)。

2、調(diào)試過程

在調(diào)試過程中對該系統(tǒng)作了不同條件下真空腔體極限真空的測量。

(1)預(yù)抽氣系統(tǒng)開啟，主抽氣不開啟，系統(tǒng)不烘烤系統(tǒng)組裝完畢后，各部分都不烘烤除氣，關(guān)閉放氣閥，打開其余閥門，啟動(dòng)干泵，當(dāng)真空腔體真空度低于1Pa時(shí)開啟分子泵，2h真空腔體真空度為8.0×10-4Pa，8h真空腔體真空度為9.0×10-6Pa，12h真空度為5.5×10-6Pa，16h后真空度為5.0×10-6Pa，20h真空度為5.0×10-6Pa，在這種條件下真空腔體的極限真空度為5.0×10-6Pa。圖2為真空技術(shù)網(wǎng)()給出的分子泵開啟后真空度實(shí)測曲線圖。

(2)預(yù)抽氣系統(tǒng)開啟，主抽氣系統(tǒng)開啟，系統(tǒng)不烘烤在上述試驗(yàn)根底上，開啟離子泵和鈦升華泵，升華電流為40A，每隔4h升華一次，一次升華時(shí)間為3min，12h后真空腔體的極限真空度到達(dá)4.1×10-7Pa。圖3為開啟主抽氣系統(tǒng)后真空腔體真空度的變化曲線。

圖2不烘烤條件下預(yù)抽系統(tǒng)工作極限真空度實(shí)測曲線

圖3主抽氣系統(tǒng)開啟后真空度的變化曲線

(3)預(yù)抽氣系統(tǒng)開啟，主抽氣系統(tǒng)開啟，系統(tǒng)烘烤除氣在(2)試驗(yàn)根底上，真空腔體、抽空管道上均勻纏繞加熱帶，向真空腔體內(nèi)緩慢充入干燥高純氮?dú)?，使真空腔?nèi)壓力稍高于大氣壓，通過調(diào)壓器控制升溫速度，真空腔體內(nèi)離子阱的溫度緩慢升到90℃左右并維持這個(gè)溫度，然后開啟干泵對整個(gè)真空系統(tǒng)開展抽真空，此過程中維持抽真空管道上的溫度在150℃左右，利用離子泵和鈦升華泵復(fù)合泵自帶的加熱裝置維自身溫度在200℃左右，24h后開啟分子泵、主抽氣系統(tǒng)，在此過程中對鈦升華泵鈦絲和電離規(guī)規(guī)管開展除氣[4]，24h后停止加熱，系統(tǒng)極限真空度到達(dá)1.9×10-8Pa，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

(4)制冷機(jī)開啟試驗(yàn)真空系統(tǒng)真空度到達(dá)1.9×10-8Pa，開啟脈管制冷機(jī)，通過溫控儀監(jiān)測離子阱溫度變化。制冷機(jī)開啟100min離子阱溫度到達(dá)了3.9K的低溫，滿足技術(shù)指標(biāo)要求，與此同時(shí)，真空系統(tǒng)極限真空度到達(dá)了5.0×10-10Pa。如圖4所示為離子阱溫度隨制冷機(jī)開啟時(shí)間變化曲線。如圖5所示為系統(tǒng)真空度隨制冷機(jī)開啟時(shí)間變化曲線。

圖4離子阱溫度隨制冷機(jī)開啟時(shí)間變化曲線

圖5系統(tǒng)真空度隨制冷機(jī)開啟時(shí)間變化曲線

3、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]。為到達(dá)最好的除氣效果，在干泵開啟的狀態(tài)下，烘烤時(shí)間不少于24h，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)開展24h的抽氣，在加熱過程中對鈦升華泵鈦絲及電離規(guī)規(guī)管開展除氣，停止加熱24h后系統(tǒng)回到常溫后，系統(tǒng)到達(dá)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)開展二次使用，并經(jīng)氦質(zhì)譜檢漏儀檢漏，在第二次使用時(shí)對法蘭的預(yù)緊力比第一次大，可以保證1.0×10-8Pa·L/s的漏率要求。

從圖4來看，制冷機(jī)在開始的常溫狀態(tài)到55min后的6.1K之間降溫速度較快，而在60min后的4.2K到75min后的3.9K降溫速度慢，說明隨著系統(tǒng)溫度的降低，脈管制冷機(jī)的制冷量降低。從圖5來看，在制冷機(jī)開啟的前15min，真空度變壞，說明此時(shí)制冷機(jī)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(jī)的這段時(shí)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(jī)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)到達(dá)極限真空后，利用制冷機(jī)冷頭及離子阱表面冷凝