CN111899909A - 一种用于冷却并囚禁离子的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冷却囚禁离子的装置，包括用于囚禁离子的离子阱，离子阱上设置有用于连接充气装置来通入缓冲气体的充气口。该装置使用时，离子在离子阱内部电场作用下形成一定的束缚；与此同时通过充气口通入的缓冲气体与离子发生碰撞，从而能够对离子产生更好的束缚效果，并且可以通过调节离子阱内部电场以及缓冲气体来控制囚禁系统对于该离子的囚禁效率以获得需求强度的离子源。此外这种装置还包括冷却离子的二级制冷的冷头装置以及几种增强导热性能的金属部件如屏蔽筒等，通过与冷却部件相连的温度传感器可以实时观察到离子阱的实际温度；与此同时还可以通过调节冷头装置来控制离子阱处的温度，产生一个内态温度较低的稳定离子源。

Description

一种用于冷却并囚禁离子的装置

技术领域

本发明涉及离子反应实验技术领域，尤其涉及一种用于冷却并囚禁离子的装置。

背景技术

在星际间，离子与离子，分子，自由基等粒子的反应每时每刻都在发生，这些反应在宇宙的发展与变化中起到不可或缺的作用，对于这些反应的研究不仅能够探寻这些反应的反应机理，还可以通过这些反应机理来解决一些问题。然而在进行离子反应模拟实验前，首先要获得离子源，目前离子阱可以捕获离子并长时间存储。但离子阱在释放离子时所形成的脉冲离子源往往不稳定，且强度不易控制。

综上所述，如何解决离子阱在释放离子时所形成的脉冲离子源不稳定且强度不易控制的问题已经成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于冷却并囚禁离子的装置，以解决离子阱在释放离子时所形成的脉冲离子源不稳定且强度不易控制的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于冷却并囚禁离子的装置，包括用于囚禁离子的离子阱，所述离子阱上设置有用于连接充气装置的充气口，所述充气口用于将所述充气装置内的缓冲气体引入所述离子阱，且所述缓冲气体的引入方向沿所述离子阱内离子运动的径向方向布置。

优选地，所述离子阱为三维四极离子阱，所述三维四极离子阱包括分别可以施加脉冲电场的前端盖和后端盖，所述前端盖前设置有第一离子导引，所述第一离子导引用于对进入所述三维四极离子阱的离子聚束；所述后端盖后设置有第二离子导引，所述第二离子导引用于对离开所述三维四极离子阱的离子聚束；所述充气口设置在所述三维四极离子阱的顶部。

优选地，还包括用于给所述三维四极离子阱提供适宜环境的环境装置，所述环境装置包括真空腔体，所述三维四极离子阱设置在所述真空腔体内，所述真空腔体连接有用于在所述真空腔体内形成超高真空背底的真空泵组。

优选地，所述环境装置还包括配套有压缩机的冷头，所述冷头用于对三维四极离子阱进行冷却。

优选地，所述冷头包括一级冷头和二级冷头，所述二级冷头与所述三维四极离子阱通过设置在所述三维四极离子阱底部的基座连接。

优选地，所述一级冷头外罩设有用于减少所述一级冷头处的黑体辐射的第一屏蔽筒；所述二级冷头外罩设有用于减少所述二级冷头以及三维四极离子阱处的黑体辐射的第二屏蔽筒。

优选地，所述基座为无氧铜制作而成的基座，且所述基座的表面镀有银层。

优选地，所述基座与所述三维四极离子阱之间还设置有用于增强热传导的铟片。

优选地，所述基座与所述三维四极离子阱之间的接触面上还设置有温度传感器。

优选地，所述温度传感器为连接有温控器的热电偶。

相比于背景技术介绍内容，上述用于冷却并囚禁离子的装置，包括用于囚禁离子的离子阱，离子阱上设置有用于连接充气装置的充气口，充气口用于将充气装置内的缓冲气体引入离子阱，且缓冲气体的引入方向沿离子阱内离子运动的径向方向布置。该装置在实际应用过程中，向离子阱通入某种离子，在经过质量选择后进入离子阱内部，在离子阱的前后端盖上施加的脉冲电场的作用下，离子在轴向上束缚在离子阱内，而径向上则由环形电极提供的射频电场将其束缚离子阱内；与此同时充气装置通过充气口向离子阱内离子运动的径向方向通入缓冲气体，通过缓冲气体与离子发生碰撞，从而减小离子的动能，继而能够对离子产生更好的束缚效果，得到的脉冲离子源稳定性更好，并且可以通过调节离子阱的脉冲电场和射频电场以及缓冲气体的比例和流量来控制囚禁系统对于该离子的囚禁效率以及获得需求强度的离子源。

此外，这种装置还可以包括冷却离子的冷却部件，冷却部件包括二级制冷的冷头装置以及几种增强导热性能的金属部件如屏蔽筒等，通过与冷却部件相连的温度传感器可以实时观察到离子阱的实际温度；与此同时还可以通过调节冷头装置的工作状态来控制离子阱处的温度，产生一个内态温度较低的稳定离子源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于冷却并囚禁离子的装置的整体剖视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的离子阱的结构示意图。

上图1和图2中，

离子阱1、充气口2、前端盖3、第一离子导引4、后端盖5、第二离子导引6、环境装置7、真空腔体71、真空泵组71a、冷头72、一级冷头72a、二级冷头72b、基座8、第一屏蔽筒9、第二屏蔽筒10、铟片11。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于冷却并囚禁离子的装置，以解决离子阱在释放离子时所形成的脉冲离子源不稳定且强度不易控制的问题。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种用于冷却并囚禁离子的装置，包括用于囚禁离子的离子阱1，离子阱1上设置有用于连接充气装置的充气口2，充气口2用于将充气装置内的缓冲气体引入离子阱1，且缓冲气体的引入方向沿离子阱1内离子运动的径向方向布置。

该装置在实际应用过程中，向离子阱通入某种离子，在经过质量选择后进入离子阱内部，在离子阱的前端盖和后端盖上施加的脉冲电场的作用下，离子在轴向上束缚在离子阱内，而径向上则由环形电极提供的射频电场将其束缚离子阱内；与此同时充气装置通过充气口向离子阱内离子运动的径向方向通入缓冲气体，通过缓冲气体与离子发生碰撞，从而减小离子的动能，继而能够对离子产生更好的束缚效果，得到的脉冲离子源稳定性更好，并且可以通过调节离子阱的脉冲电场和射频电场以及缓冲气体的比例和流量来控制囚禁系统对于该离子的囚禁效率以及获得需求强度的离子源。

在一些具体的实施方案中，上述离子阱1具体可以为三维四极离子阱，其具体包括前端盖3和后端盖5，且前端盖3和后端盖5均可施加脉冲电场，其中，前端盖3前设置有第一离子导引4，第一离子导引4用于对进入三维四极离子阱的离子聚束和减速；后端盖5后设置有第二离子导引6，第二离子导引6用于对离开三维四极离子阱的离子聚束和减速；充气口2设置在三维四极离子阱的顶部。通过施加在前后端盖的脉冲电场对离子运动的轴向方向能够产生很好的束缚作用，并且通过顶部布置充气口，通过充气口通入缓冲气体并使缓冲气体在径向上与轴向上运动的离子产生碰撞，继而有助于对离子产生更好的束缚作用。当然可以理解的是，上述在前端盖和后端盖的前后分别设计离子导引的方式仅仅是本发明实施例的优选举例而已，实际应用过程中，还可以设计成上下端盖的上下设计离子导引，只不过此时的离子运动轴向为上下方向，对应的充气口也应该做适应性调整设计成横向方向，实际应用过程中，可以根据实际布置需求进行选择，在此不做更具体的限定。本领域技术人员都应该能够理解的是，第一/第二离子导引一般可以由若干个离子透镜组成，通过离子透镜来对离子进行聚束，导引，加速以及减速。

需要说明的是，对于来说，一般研究有关离子的反应需要在特定环境下进行，通常情况下，需要满足一定的真空要求，因此，本发明用于冷却并囚禁离子的装置一般还包括用于给三维四极离子阱提供适宜环境的环境装置7，该环境装置7包括真空腔体71，三维四极离子阱设置在真空腔体71内，真空腔体71连接有用于在真空腔体71内形成超高真空背底的真空泵组71a。通过真空泵组71a对真空腔体71进行抽真空，使得真空腔体能够达到超高真空的量级。真空腔体一般可选择来自于上海日扬公司所制作的六通标件，若干法兰所组成，真空泵组71a具体包括多个真空泵，通过前级泵以及分子泵逐级抽真空，最后在实验中三维四极离子阱所在的真空腔室的真空度可以达到10E-8torr量级。

还需要说明的是，通常情况下，还需要保证三维四极离子阱处在较低的温度环境下。因此，上述环境装置7一般还包括配套有压缩机的冷头72，冷头72用于对三维四极离子阱进行冷却。通过配备有压缩机的冷头对三维四极离子阱1进行冷却，使得冷却效果更好，更迅速。

进一步的实施方案中，该冷头72的具体结构一般包括一级冷头72a和二级冷头72b，二级冷头72b与三维四极离子阱通过设置在三维四极离子阱底部的基座8连接，通过上述两级制冷使得冷头的冷却效果更好。当然可以理解的是，上述采用两级制冷的方式仅仅是本发明实施例的优选举例而已，实际应用过程中，还可以采用其他冷头结构形式，在此不做更具体的限定。

进一步的实施方案中，为了避免黑体辐射对于三维四极离子阱内部温度产生影响，上述一级冷头72a外一般罩设有用于减少一级冷头72a处的黑体辐射的第一屏蔽筒9；二级冷头72b外一般罩设有用于减少二级冷头72b以及三维四极离子阱处的黑体辐射的第二屏蔽筒10。继而第二屏蔽筒(材质一般为无氧铜)将二级冷头和三维四极离子阱与外界隔开，只留了几个通道用于离子的进入与导出以及缓冲气体的进出。

在一些具体的实施方案中，上述基座8具体可以为无氧铜制作而成的基座，且基座的表面镀有银层。由于无氧铜具有优良的导热性能，同时通过银层能够提升导热效率并防止无氧铜被氧化。

进一步的实施方案中，为了使得基座8与三维四极离子阱之间的导热性能更好，二者之间还设置有用于增强热传导的铟片11。

进一步的实施方案中，上述基座8与三维四极离子阱之间的接触面上还设置有温度传感器。并且该温度传感器的具体结构形式可以为连接有温控器的热电偶，热电偶通过螺丝固定在无氧铜基座与三维四极离子阱接触面上，这样可以通过与之相连的外界的温度控制器来观察三维四极离子阱处的温度。通过温度传感器能够随时观察三维四极离子阱处的温度，继而能够根据需求控制冷头的制冷性能，实现温度的智能控制。

为了本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面以氩离子作为储存离子为例使用本发明用于冷却并囚禁离子的装置制作离子源进行说明：

首先是开启真空系统，开启前观察实验环境，随后检查实验所使用的真空腔体的密封性，确保开启分子泵之后真空度能达到实验所需要求。确定密封完好之后先开启干泵将真空腔体抽至粗真空，随后再开启泵站将真空腔体抽至低真空，随后再开启涡轮分子泵将真空腔体抽至高真空，等待涡轮分子泵满转速之后再让分子泵持续工作一段时间，最后保证该系统所在的真空腔室的真空度达到10E-8torr量级。

随后是开启冷却系统，开启前先观察一下住友公司生产的RDK-415D2冷头与配套的压缩机F-50所相连的氦管和压缩机F-50自带的循环冷却水管是否完好以及压缩机F-50内部的氦气的压强是否处于正常工作状态。随后开启压缩机F-50的电源，使冷头进入工作状态，通过Lakeshore公司成产的型号为Model335的温度控制器来获得冷却部分的温度(Lakeshore公司成产的型号为Model335的温度控制器通过与三维四极离子阱相接触无氧铜基座上的热电偶来测量温度)，等待温度降至最低温度。本实验中冷却部分利用测温装置所测得的最低温度均在5k以下(最低温度会随着真空度变化有所波动)。

随后是开启囚禁系统，首先是开启三维四极离子阱的电源以及充气装置的气路阀门，随后利用离子导引装置将氩离子导引至三维四极离子阱内。实验使用的氩离子是由电子枪轰击氩气产生的，在经过四极杆质量选择后从三维四极离子阱的前端盖进入三维四极离子阱，氩离子进入三维四极离子阱后，前后两个端盖上的脉冲电场将氩离子在轴向上束缚在三维四极离子阱内，而径向上则由环形电极提供的射频电场将其束缚三维四极离子阱内。与此同时径向方向通入的缓冲气体与氩离子发生碰撞，可以获得更好的束缚效果。这样就可以通过调节三维四极离子阱的脉冲电场和射频电场以及缓冲气体的比例和流量来控制囚禁系统对于氩离子的囚禁效率以及最后得到氩离子源的强度。

最后当我们使用这个氩离子源时，需要提取氩离子，此时通过给控制三维四极离子阱射频电场的电源控制器一个脉冲来关闭射频场，并且提高三维四极离子阱前端盖电压，这样氩离子源在电场作用下就会离开三维四极离子阱。

以上对本发明所提供的用于冷却并囚禁离子的装置进行了详细介绍。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于冷却并囚禁离子的装置，包括用于囚禁离子的离子阱(1)，其特征在于，所述离子阱(1)上设置有用于连接充气装置的充气口(2)，所述充气口(2)用于将所述充气装置内的缓冲气体引入所述离子阱(1)，且所述缓冲气体的引入方向沿所述离子阱(1)内离子运动的径向方向布置。

2.如权利要求1所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述离子阱(1)为三维四极离子阱，所述三维四极离子阱包括分别具有脉冲电场的前端盖(3)和后端盖(5)，所述前端盖(3)前置有第一离子导引(4)，所述第一离子导引(4)用于对进入所述三维四极离子阱的离子聚束；所述后端盖(5)后设置有第二离子导引(6)，所述第二离子导引(6)用于对离开所述三维四极离子阱的离子聚束；所述充气口(2)设置在所述三维四极离子阱的顶部。

3.如权利要求2所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，还包括用于给所述三维四极离子阱提供适宜环境的环境装置(7)，所述环境装置(7)包括真空腔体(71)，所述三维四极离子阱设置在所述真空腔体(71)内，所述真空腔体(71)连接有用于在所述真空腔体(71)内形成超高真空背底的真空泵组(71a)。

4.如权利要求3所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述环境装置(7)还包括配套有压缩机的冷头(72)，所述冷头(72)用于对三维四极离子阱进行冷却。

5.如权利要求4所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述冷头(72)包括一级冷头(72a)和二级冷头(72b)，所述二级冷头(72b)与所述三维四极离子阱通过设置在所述三维四极离子阱底部的基座(8)连接。

6.如权利要求5所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述一级冷头(72a)外罩设有用于减少所述一级冷头(72a)处的黑体辐射的第一屏蔽筒(9)；所述二级冷头(72b)外罩设有用于减少所述二级冷头(72b)以及三维四极离子阱处的黑体辐射的第二屏蔽筒(10)。

7.如权利要求5所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述基座(8)为无氧铜制作而成的基座，且所述基座与三维四极离子阱接触的表面镀有银层。

8.如权利要求7所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述基座(8)与所述三维四极离子阱之间还设置有用于增强热传导的铟片(11)。

9.如权利要求8所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述基座(8)与所述三维四极离子阱之间的接触面上还设置有温度传感器。

10.如权利要求9所述的用于冷却并囚禁离子的装置，其特征在于，所述温度传感器为连接有温控器的热电偶。

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