CN111441029B - 用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超高真空系统，具体是一种用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统及方法。本发明解决了现有超高真空系统真空度不够高的问题。用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统，包括第一真空腔、第二真空腔、第三真空腔、第四真空腔、第一钛升华泵、第二钛升华泵、第一溅射离子泵、第二溅射离子泵、第三溅射离子泵、第一角阀、第二角阀、第一涡轮分子泵、第二涡轮分子泵、第一离子规、第二离子规、第三离子规、充气阀、氮气源、碱金属源、第一插板阀、第二插板阀、塞曼减速器、三通管。本发明适用于实验制备超冷原子与分子。

Description

用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统及方法
技术领域
本发明涉及超高真空系统，具体是一种用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统及方法。
背景技术
在进行超冷原子与分子的实验制备时，制备过程必须在超高真空系统中进行。然而在实际应用中，现有超高真空系统由于自身原理所限，普遍存在真空度不够高的问题，由此一方面导致制备过程中无法俘获足够多的原子，另一方面导致被俘获的原子在磁光阱中的寿命较短，从而导致制备效果较差。基于此，有必要发明一种用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统及方法，以解决现有超高真空系统真空度不够高的问题。
发明内容
本发明为了解决现有超高真空系统真空度不够高的问题，提供了一种用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统，包括第一真空腔、第二真空腔、第三真空腔、第四真空腔、第一钛升华泵、第二钛升华泵、第一溅射离子泵、第二溅射离子泵、第三溅射离子泵、第一角阀、第二角阀、第一涡轮分子泵、第二涡轮分子泵、第一离子规、第二离子规、第三离子规、充气阀、氮气源、碱金属源、第一插板阀、第二插板阀、塞曼减速器、三通管；
其中，第一真空腔为圆筒形结构；第一真空腔的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第一钛升华泵连通；第一真空腔的侧壁上部分别开设有两个抽真空接口，其中一个抽真空接口与第一溅射离子泵连通，另一个抽真空接口通过第一角阀与第一涡轮分子泵连通；第一真空腔的侧壁上部还开设有一个测量接口，该测量接口与第一离子规连通；第一真空腔的侧壁中部开设有一个充气接口，该充气接口通过充气阀与氮气源连通；第一真空腔的侧壁下部分别开设有两个相互正对的连接口；第一真空腔的侧壁下部还开设有一个CF63光学窗口，该CF63光学窗口为石英光学窗口；
第二真空腔为上粗下细的圆筒形结构；第二真空腔的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第二溅射离子泵连通；第二真空腔的侧壁上部开设有一个测量接口，该测量接口与第二离子规连通；第二真空腔的侧壁下部分别开设有两个相互正对的连接口；第二真空腔的侧壁下部还开设有一个CF35光学窗口，该CF35光学窗口为石英光学窗口；
第三真空腔为正八棱筒形结构；第三真空腔的上、下端壁中央各开设有一个CF100光学窗口，两个CF100光学窗口均为石英光学窗口；第三真空腔的侧壁分别开设有八个沿周向等距排列的CF35光学窗口，第一至第三个CF35光学窗口、第五至第七个CF35光学窗口均为石英光学窗口；
第四真空腔为圆筒形结构；第四真空腔的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第二钛升华泵连通；第四真空腔的侧壁上部开设有一个抽真空接口，该抽真空接口通过第二角阀与第二涡轮分子泵连通；第四真空腔的侧壁上部还开设有一个测量接口，该测量接口与第三离子规连通；第四真空腔的侧壁下部开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第三溅射离子泵连通；第四真空腔的侧壁下部还开设有一个连接口；第四真空腔的侧壁下部还开设有一个与连接口正对的CF63光学窗口，该CF63光学窗口为石英光学窗口；
碱金属源与第一真空腔的第一个连接口连通；第一真空腔的第二个连接口通过第一插板阀与第二真空腔的第一个连接口连通；第二真空腔的第二个连接口依次通过第二插板阀、塞曼减速器与第三真空腔的第四个CF35光学窗口连通；第三真空腔的第八个CF35光学窗口与三通管的左端连通；三通管的右端与第四真空腔的连接口连通；三通管的上端封闭。
第一溅射离子泵的抽速、第二溅射离子泵的抽速均为125L/S；第三溅射离子泵的抽速为150L/S。
所述抽真空接口、测量接口、充气接口、连接口均为法兰接口。
用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取方法（该方法是基于本发明所述的用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：启动第二涡轮分子泵，并打开第二角阀、充气阀、第一插板阀、第二插板阀，氮气源将纯度为99.9%的氮气依次充入第一真空腔、第二真空腔、第三真空腔、第四真空腔内，充气气压为0.1MPa，第一真空腔、第二真空腔、第三真空腔、第四真空腔内的H2、H2O、CO2、CO均经第二涡轮分子泵排出；
步骤二：当充气时长达到5min时，关闭充气阀，并打开第一角阀，然后启动第一涡轮分子泵，第二涡轮分子泵继续工作，第一涡轮分子泵、第二涡轮分子泵分别对第一真空腔、第四真空腔进行抽真空，使得第三真空腔内的绝对压强下降至1×10-4Pa；
步骤三：在第一真空腔、第二真空腔、第四真空腔的外侧壁均缠绕加热带，并向加热带通入恒定电流，加热带对第一真空腔、第二真空腔、第四真空腔进行加热，热传导使第三真空腔内的温度上升至200℃并保持恒定，升温速度为30℃/h；随着第三真空腔内温度的上升，第三真空腔内的绝对压强上升至1×10-3Pa；然后，恒温烘烤数天时间，使得第三真空腔内的绝对压强回落至1×10-4Pa；
步骤四：关停第一涡轮分子泵和第二涡轮分子泵，同时关闭第一角阀和第二角阀；然后，启动第一溅射离子泵、第二溅射离子泵、第三溅射离子泵分别对第一真空腔、第二真空腔、第四真空腔进行抽真空，使得第三真空腔内的绝对压强下降至1×10-6Pa；
步骤五：逐渐减小加热带中的电流，使得第三真空腔内的温度下降至室温，降温速度为20℃/h；随着第三真空腔内温度的下降，第三真空腔内的绝对压强下降至1×10-9Pa；然后，启动第一钛升华泵和第二钛升华泵，第一溅射离子泵、第二溅射离子泵、第三溅射离子泵均继续工作，第一钛升华泵和第一溅射离子泵共同对第一真空腔进行抽真空，第二溅射离子泵对第二真空腔进行抽真空，第二钛升华泵和第三溅射离子泵共同对第四真空腔进行抽真空，由此使得第三真空腔内的绝对压强下降至1×10-9Pa以下，从而获取超高真空。
所述步骤二至步骤五中，通过第一离子规或第二离子规或第三离子规均可实时读取第三真空腔内的绝对压强。
本发明所述的用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统及方法通过利用涡轮分子泵、溅射离子泵、钛升华泵的抽真空极限不同，并通过使其进行分阶段工作，具备了足够高的真空度，由此一方面使得制备过程中能够俘获足够多的原子，另一方面延长了被俘获的原子在磁光阱中的寿命，从而显著改善了制备效果。
本发明有效解决了现有超高真空系统真空度不够高的问题，适用于实验制备超冷原子与分子。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图中：1a-第一真空腔，1b-第二真空腔，1c-第三真空腔，1d-第四真空腔，2a-第一溅射离子泵，2b-第二溅射离子泵，2c-第三溅射离子泵，3a-第一角阀，3b-第二角阀，4a-第一离子规，4b-第二离子规，4c-第三离子规，5-充气阀，6-碱金属源，7a-第一插板阀，7b-第二插板阀，8-塞曼减速器，9-三通管。
具体实施方式
用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统，包括第一真空腔1a、第二真空腔1b、第三真空腔1c、第四真空腔1d、第一钛升华泵、第二钛升华泵、第一溅射离子泵2a、第二溅射离子泵2b、第三溅射离子泵2c、第一角阀3a、第二角阀3b、第一涡轮分子泵、第二涡轮分子泵、第一离子规4a、第二离子规4b、第三离子规4c、充气阀5、氮气源、碱金属源6、第一插板阀7a、第二插板阀7b、塞曼减速器8、三通管9；
其中，第一真空腔1a为圆筒形结构；第一真空腔1a的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第一钛升华泵连通；第一真空腔1a的侧壁上部分别开设有两个抽真空接口，其中一个抽真空接口与第一溅射离子泵2a连通，另一个抽真空接口通过第一角阀3a与第一涡轮分子泵连通；第一真空腔1a的侧壁上部还开设有一个测量接口，该测量接口与第一离子规4a连通；第一真空腔1a的侧壁中部开设有一个充气接口，该充气接口通过充气阀5与氮气源连通；第一真空腔1a的侧壁下部分别开设有两个相互正对的连接口；第一真空腔1a的侧壁下部还开设有一个CF63光学窗口，该CF63光学窗口为石英光学窗口；
第二真空腔1b为上粗下细的圆筒形结构；第二真空腔1b的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第二溅射离子泵2b连通；第二真空腔1b的侧壁上部开设有一个测量接口，该测量接口与第二离子规4b连通；第二真空腔1b的侧壁下部分别开设有两个相互正对的连接口；第二真空腔1b的侧壁下部还开设有一个CF35光学窗口，该CF35光学窗口为石英光学窗口；
第三真空腔1c为正八棱筒形结构；第三真空腔1c的上、下端壁中央各开设有一个CF100光学窗口，两个CF100光学窗口均为石英光学窗口；第三真空腔1c的侧壁分别开设有八个沿周向等距排列的CF35光学窗口，第一至第三个CF35光学窗口、第五至第七个CF35光学窗口均为石英光学窗口；
第四真空腔1d为圆筒形结构；第四真空腔1d的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第二钛升华泵连通；第四真空腔1d的侧壁上部开设有一个抽真空接口，该抽真空接口通过第二角阀3b与第二涡轮分子泵连通；第四真空腔1d的侧壁上部还开设有一个测量接口，该测量接口与第三离子规4c连通；第四真空腔1d的侧壁下部开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第三溅射离子泵2c连通；第四真空腔1d的侧壁下部还开设有一个连接口；第四真空腔1d的侧壁下部还开设有一个与连接口正对的CF63光学窗口，该CF63光学窗口为石英光学窗口；
碱金属源6与第一真空腔1a的第一个连接口连通；第一真空腔1a的第二个连接口通过第一插板阀7a与第二真空腔1b的第一个连接口连通；第二真空腔1b的第二个连接口依次通过第二插板阀7b、塞曼减速器8与第三真空腔1c的第四个CF35光学窗口连通；第三真空腔1c的第八个CF35光学窗口与三通管9的左端连通；三通管9的右端与第四真空腔1d的连接口连通；三通管9的上端封闭。
第一溅射离子泵2a的抽速、第二溅射离子泵2b的抽速均为125L/S；第三溅射离子泵2c的抽速为150L/S。
所述抽真空接口、测量接口、充气接口、连接口均为法兰接口。
用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取方法（该方法是基于本发明所述的用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：启动第二涡轮分子泵，并打开第二角阀3b、充气阀5、第一插板阀7a、第二插板阀7b，氮气源将纯度为99.9%的氮气依次充入第一真空腔1a、第二真空腔1b、第三真空腔1c、第四真空腔1d内，充气气压为0.1MPa，第一真空腔1a、第二真空腔1b、第三真空腔1c、第四真空腔1d内的H2、H2O、CO2、CO均经第二涡轮分子泵排出；
步骤二：当充气时长达到5min时，关闭充气阀5，并打开第一角阀3a，然后启动第一涡轮分子泵，第二涡轮分子泵继续工作，第一涡轮分子泵、第二涡轮分子泵分别对第一真空腔1a、第四真空腔1d进行抽真空，使得第三真空腔1c内的绝对压强下降至1×10-4Pa；
步骤三：在第一真空腔1a、第二真空腔1b、第四真空腔1d的外侧壁均缠绕加热带，并向加热带通入恒定电流，加热带对第一真空腔1a、第二真空腔1b、第四真空腔1d进行加热，热传导使第三真空腔1c内的温度上升至200℃并保持恒定，升温速度为30℃/h；随着第三真空腔1c内温度的上升，第三真空腔1c内的绝对压强上升至1×10-3Pa；然后，恒温烘烤数天时间，使得第三真空腔1c内的绝对压强回落至1×10-4Pa；
步骤四：关停第一涡轮分子泵和第二涡轮分子泵，同时关闭第一角阀3a和第二角阀3b；然后，启动第一溅射离子泵2a、第二溅射离子泵2b、第三溅射离子泵2c分别对第一真空腔1a、第二真空腔1b、第四真空腔1d进行抽真空，使得第三真空腔1c内的绝对压强下降至1×10-6Pa；
步骤五：逐渐减小加热带中的电流，使得第三真空腔1c内的温度下降至室温，降温速度为20℃/h；随着第三真空腔1c内温度的下降，第三真空腔1c内的绝对压强下降至1×10-9Pa；然后，启动第一钛升华泵和第二钛升华泵，第一溅射离子泵2a、第二溅射离子泵2b、第三溅射离子泵2c均继续工作，第一钛升华泵和第一溅射离子泵2a共同对第一真空腔1a进行抽真空，第二溅射离子泵2b对第二真空腔1b进行抽真空，第二钛升华泵和第三溅射离子泵2c共同对第四真空腔1d进行抽真空，由此使得第三真空腔1c内的绝对压强下降至1×10- 9Pa以下，从而获取超高真空。
所述步骤二至步骤五中，通过第一离子规4a或第二离子规4b或第三离子规4c均可实时读取第三真空腔1c内的绝对压强。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统，其特征在于：包括第一真空腔(1a)、第二真空腔(1b)、第三真空腔(1c)、第四真空腔(1d)、第一钛升华泵、第二钛升华泵、第一溅射离子泵(2a)、第二溅射离子泵(2b)、第三溅射离子泵(2c)、第一角阀(3a)、第二角阀(3b)、第一涡轮分子泵、第二涡轮分子泵、第一离子规(4a)、第二离子规(4b)、第三离子规(4c)、充气阀(5)、氮气源、碱金属源(6)、第一插板阀(7a)、第二插板阀(7b)、塞曼减速器(8)、三通管(9)；
其中，第一真空腔(1a)为圆筒形结构；第一真空腔(1a)的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第一钛升华泵连通；第一真空腔(1a)的侧壁上部分别开设有两个抽真空接口，其中一个抽真空接口与第一溅射离子泵(2a)连通，另一个抽真空接口通过第一角阀(3a)与第一涡轮分子泵连通；第一真空腔(1a)的侧壁上部还开设有一个测量接口，该测量接口与第一离子规(4a)连通；第一真空腔(1a)的侧壁中部开设有一个充气接口，该充气接口通过充气阀(5)与氮气源连通；第一真空腔(1a)的侧壁下部分别开设有两个相互正对的连接口；第一真空腔(1a)的侧壁下部还开设有一个CF63光学窗口，该CF63光学窗口为石英光学窗口；
第二真空腔(1b)为上粗下细的圆筒形结构；第二真空腔(1b)的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第二溅射离子泵(2b)连通；第二真空腔(1b)的侧壁上部开设有一个测量接口，该测量接口与第二离子规(4b)连通；第二真空腔(1b)的侧壁下部分别开设有两个相互正对的连接口；第二真空腔(1b)的侧壁下部还开设有一个CF35光学窗口，该CF35光学窗口为石英光学窗口；
第三真空腔(1c)为正八棱筒形结构；第三真空腔(1c)的上、下端壁中央各开设有一个CF100光学窗口，两个CF100光学窗口均为石英光学窗口；第三真空腔(1c)的侧壁分别开设有八个沿周向等距排列的CF35光学窗口，第一至第三个CF35光学窗口、第五至第七个CF35光学窗口均为石英光学窗口；
第四真空腔(1d)为圆筒形结构；第四真空腔(1d)的上端壁中央开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第二钛升华泵连通；第四真空腔(1d)的侧壁上部开设有一个抽真空接口，该抽真空接口通过第二角阀(3b)与第二涡轮分子泵连通；第四真空腔(1d)的侧壁上部还开设有一个测量接口，该测量接口与第三离子规(4c)连通；第四真空腔(1d)的侧壁下部开设有一个抽真空接口，该抽真空接口与第三溅射离子泵(2c)连通；第四真空腔(1d)的侧壁下部还开设有一个连接口；第四真空腔(1d)的侧壁下部还开设有一个与连接口正对的CF63光学窗口，该CF63光学窗口为石英光学窗口；
碱金属源(6)与第一真空腔(1a)的第一个连接口连通；第一真空腔(1a)的第二个连接口通过第一插板阀(7a)与第二真空腔(1b)的第一个连接口连通；第二真空腔(1b)的第二个连接口依次通过第二插板阀(7b)、塞曼减速器(8)与第三真空腔(1c)的第四个CF35光学窗口连通；第三真空腔(1c)的第八个CF35光学窗口与三通管(9)的左端连通；三通管(9)的右端与第四真空腔(1d)的连接口连通；三通管(9)的上端封闭；
第一溅射离子泵(2a)的抽速、第二溅射离子泵(2b)的抽速均为125L/s ；第三溅射离子泵(2c)的抽速为150L/s 。
2.根据权利要求1所述的用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统，其特征在于：所述抽真空接口、测量接口、充气接口、连接口均为法兰接口。
3.一种用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取方法，该方法是基于如权利要求1所述的用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取系统实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：启动第二涡轮分子泵，并打开第二角阀(3b)、充气阀(5)、第一插板阀(7a)、第二插板阀(7b)，氮气源将纯度为99.9％的氮气依次充入第一真空腔(1a)、第二真空腔(1b)、第三真空腔(1c)、第四真空腔(1d)内，充气气压为0.1MPa，第一真空腔(1a)、第二真空腔(1b)、第三真空腔(1c)、第四真空腔(1d)内的H2、H2O、CO2、CO均经第二涡轮分子泵排出；
步骤二：当充气时长达到5min时，关闭充气阀(5)，并打开第一角阀(3a)，然后启动第一涡轮分子泵，第二涡轮分子泵继续工作，第一涡轮分子泵、第二涡轮分子泵分别对第一真空腔(1a)、第四真空腔(1d)进行抽真空，使得第三真空腔(1c)内的绝对压强下降至1×10-4Pa；
步骤三：在第一真空腔(1a)、第二真空腔(1b)、第四真空腔(1d)的外侧壁均缠绕加热带，并向加热带通入恒定电流，加热带对第一真空腔(1a)、第二真空腔(1b)、第四真空腔(1d)进行加热，热传导使第三真空腔(1c)内的温度上升至200℃并保持恒定，升温速度为30℃/h；随着第三真空腔(1c)内温度的上升，第三真空腔(1c)内的绝对压强上升至1×10-3Pa；然后，恒温烘烤数天时间，使得第三真空腔(1c)内的绝对压强回落至1×10-4Pa；
步骤四：关停第一涡轮分子泵和第二涡轮分子泵，同时关闭第一角阀(3a)和第二角阀(3b)；然后，启动第一溅射离子泵(2a)、第二溅射离子泵(2b)、第三溅射离子泵(2c)分别对第一真空腔(1a)、第二真空腔(1b)、第四真空腔(1d)进行抽真空，使得第三真空腔(1c)内的绝对压强下降至1×10-6Pa；
步骤五：逐渐减小加热带中的电流，使得第三真空腔(1c)内的温度下降至室温，降温速度为20℃/h；随着第三真空腔(1c)内温度的下降，第三真空腔(1c)内的绝对压强下降至1×10-9Pa；然后，启动第一钛升华泵和第二钛升华泵，第一溅射离子泵(2a)、第二溅射离子泵(2b)、第三溅射离子泵(2c)均继续工作，第一钛升华泵和第一溅射离子泵(2a)共同对第一真空腔(1a)进行抽真空，第二溅射离子泵(2b)对第二真空腔(1b)进行抽真空，第二钛升华泵和第三溅射离子泵(2c)共同对第四真空腔(1d)进行抽真空，由此使得第三真空腔(1c)内的绝对压强下降至1×10-9Pa以下，从而获取超高真空。
4.根据权利要求3所述的用于实验制备超冷原子与分子的超高真空获取方法，其特征在于：所述步骤二至步骤五中，通过第一离子规(4a)或第二离子规(4b)或第三离子规(4c)均可实时读取第三真空腔(1c)内的绝对压强。
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