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行抽真空對比試驗，分析了影響真空系統(tǒng)極限真空的關鍵因素。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，離子阱最低溫度達到3.9 K。

1、系統(tǒng)裝配

　　系統(tǒng)裝配在潔凈間進行，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)時間為24 h。真空腔體上所有焊接采用氬弧焊，并對焊縫用氦質譜檢漏儀檢漏，保證每條焊縫及每個法蘭密封處的漏率低于1.0 × 10 -8 Pa·L /s，保證整個系統(tǒng)漏率小于5.0 × 10^-8 Pa·L /s 。環(huán)境溫度20℃左右，對各項準備工作檢查無誤后開機試驗。

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，關閉放氣閥，打開其余閥門，啟動干泵，當真空腔體真空度低于1 Pa 時開啟分子泵，2h 真空腔體真空度為8.0 × 10^-4 Pa，8 h 真空腔體真空度為9.0 × 10^-6 Pa， 12 h 真空度為5.5 × 10^-6 Pa， 16 h 后真空度為5.0 × 10^-6 Pa， 20 h 真空度為5.0 × 10^-6 Pa，在這種條件下真空腔體的極限真空度為5.0 × 10^-6 Pa。圖2為真空技術網(wǎng)(www.13house.cn)給出的分子泵開啟后真空度實測曲線圖。

　　(2) 預抽氣系統(tǒng)開啟，主抽氣系統(tǒng)開啟，系統(tǒng)不烘烤在上述試驗基礎上，開啟離子泵和鈦升華泵，升華電流為40 A，每隔4 h 升華一次，一次升華時間為3 min，12 h 后真空腔體的極限真空度達到4.1 ×10^-7 Pa。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 不烘烤條件下預抽系統(tǒng)工作極限真空度實測曲線

圖3 主抽氣系統(tǒng)開啟后真空度的變化曲線

　　(3) 預抽氣系統(tǒng)開啟，主抽氣系統(tǒng)開啟，系統(tǒng)烘烤除氣在(2) 試驗基礎上，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氣，使真空腔內(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 ℃左右并維持這個溫度，然后開啟干泵對整個真空系統(tǒng)進行抽真空，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合泵自帶的加熱裝置維自身溫度在200 ℃左右， 24 h 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)管進行除氣^[4]， 24 h 后停止加熱，系統(tǒng)極限真空度達到1.9 × 10^-8 Pa，滿足技術指標要求。

　　(4) 制冷機開啟試驗真空系統(tǒng)真空度達到1.9 × 10^-8 Pa，開啟脈管制冷機，通過溫控儀監(jiān)測離子阱溫度變化。制冷機開啟100 min 離子阱溫度達到了3.9 K 的低溫，滿足技術指標要求，與此同時，真空系統(tǒng)極限真空度達到了5.0 ×10^-10 Pa。如圖4 所示為離子阱溫度隨制冷機開啟時間變化曲線。如圖5 所示為系統(tǒng)真空度隨制冷機開啟時間變化曲線。

圖4 離子阱溫度隨制冷機開啟時間變化曲線

圖5 系統(tǒng)真空度隨制冷機開啟時間變化曲線

3、結果分析

　　系統(tǒng)中離子泵和鈦升華泵復合泵對系統(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抽系統(tǒng)達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、鈦升華泵復合泵對真空系統(tǒng)繼續(xù)進行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)管進行除氣，停止加熱24 h 后系統(tǒng)回到常溫后，系統(tǒng)達到極限真空。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) 進行二次使用，并經(jīng)氦質譜檢漏儀檢漏，在第二次使用時對法蘭的預緊力比第一次大，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。