离子阱低温超高真空系统的装配、调试及结果分析

离子阱低温超高真空系统的装配、调试及结果分析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开展抽真空比照试验，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1.9×10-8Pa和5.0×10-10Pa的真空度，在高真空绝热条件下，离子阱最低温度到达3.9K。

1、系统装配

系统装配在洁净间开展，在真空腔体装配前，对所有不锈钢零件按照超高真空系统清洗工艺清洗，并放入烘箱内烘烤除气，加热温度为250℃，持续时间为24h。真空腔体上所有焊接采用氩弧焊，并对焊缝用氦质谱检漏仪检漏，保证每条焊缝及每个法兰密封处的漏率低于1.0×10-8Pa·L/s，保证整个系统漏率小于5.0×10-8Pa·L/s。环境温度20℃左右，对各项准备工作检查无误后开机试验。

2、调试过程

在调试过程中对该系统作了不同条件下真空腔体极限真空的测量。

(1)预抽气系统开启，主抽气不开启，系统不烘烤系统组装完毕后，各部分都不烘烤除气，关闭放气阀，打开其余阀门，启动干泵，当真空腔体真空度低于1Pa时开启分子泵，2h真空腔体真空度为8.0×10-4Pa，8h真空腔体真空度为9.0×10-6Pa，12h真空度为5.5×10-6Pa，16h后真空度为5.0×10-6Pa，20h真空度为5.0×10-6Pa，在这种条件下真空腔体的极限真空度为5.0×10-6Pa。图2为真空技术网()给出的分子泵开启后真空度实测曲线图。

(2)预抽气系统开启，主抽气系统开启，系统不烘烤在上述试验根底上，开启离子泵和钛升华泵，升华电流为40A，每隔4h升华一次，一次升华时间为3min，12h后真空腔体的极限真空度到达4.1×10-7Pa。图3为开启主抽气系统后真空腔体真空度的变化曲线。

图2不烘烤条件下预抽系统工作极限真空度实测曲线

图3主抽气系统开启后真空度的变化曲线

(3)预抽气系统开启，主抽气系统开启，系统烘烤除气在(2)试验根底上，真空腔体、抽空管道上均匀缠绕加热带，向真空腔体内缓慢充入干燥高纯氮气，使真空腔内压力稍高于大气压，通过调压器控制升温速度，真空腔体内离子阱的温度缓慢升到90℃左右并维持这个温度，然后开启干泵对整个真空系统开展抽真空，此过程中维持抽真空管道上的温度在150℃左右，利用离子泵和钛升华泵复合泵自带的加热装置维自身温度在200℃左右，24h后开启分子泵、主抽气系统，在此过程中对钛升华泵钛丝和电离规规管开展除气[4]，24h后停止加热，系统极限真空度到达1.9×10-8Pa，满足技术指标要求。

(4)制冷机开启试验真空系统真空度到达1.9×10-8Pa，开启脉管制冷机，通过温控仪监测离子阱温度变化。制冷机开启100min离子阱温度到达了3.9K的低温，满足技术指标要求，与此同时，真空系统极限真空度到达了5.0×10-10Pa。如图4所示为离子阱温度随制冷机开启时间变化曲线。如图5所示为系统真空度随制冷机开启时间变化曲线。

图4离子阱温度随制冷机开启时间变化曲线

图5系统真空度随制冷机开启时间变化曲线

3、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]。为到达最好的除气效果，在干泵开启的状态下，烘烤时间不少于24h，然后打开分子泵，离子泵、钛升华泵复合泵对真空系统继续开展24h的抽气，在加热过程中对钛升华泵钛丝及电离规规管开展除气，停止加热24h后系统回到常温后，系统到达极限真空。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)开展二次使用，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1.0×10-8Pa·L/s的漏率要求。

从图4来看，制冷机在开始的常温状态到55min后的6.1K之间降温速度较快，而在60min后的4.2K到75min后的3.9K降温速度慢，说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15min，真空度变坏，说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，抽真空系统到达极限真空后，利用制冷机冷头及离子阱表面冷凝