40 T混合磁体外超导磁体杜瓦真空系统设计

孟秋敏 欧阳峥嵘 李洪强

(中国科学院强磁场科学中心 合肥 230031)

1 引言

为开展凝聚态物理、化学、材料科学、地学、生物学、生命科学和微重力等，国家“十一五”大科学工程稳态强磁场实验装置拟建一台具有国际先进水平的40 T稳态混合磁体实验装置。40 T混合磁体由11 T学科的前沿研究提供强磁场平台，外超导磁体和29 T内水冷磁体组成。其中11 T外超导磁体运行在4.5 K，为降低超导磁体在低温下的热负荷，将其置于可提供高真空工作环境的真空杜瓦中，杜瓦达到磁体正常工作所要求的真空水平是保障超导磁体正常运行的关键条件之一。本研究将针对40 T混合磁体外超导磁体杜瓦设计一套真空系统。

2 40 T混合磁体外超导磁体杜瓦及其对真空度的要求

40 T混合磁体外超导磁体杜瓦材质为304不锈钢，内表面积为 37.446 m2，体积为 12.5 m3。为降低超导磁体的辐射热负荷，在杜瓦内壁与超导磁体之间装有80 K冷屏，冷屏材质为紫铜，表面积26.74 m2。外超导磁体杜瓦要求室温下的真空度达到10-3Pa，总漏率为1×10-2Pa·L/s。

3 40 T混合磁体外超导磁体杜瓦真空系统设计

外超导磁体杜瓦真空系统将采用先由粗抽泵机组粗抽，将杜瓦抽至10-1Pa，再由主泵机组抽至所要求的真空度10-3Pa的方案。其中主泵机组和粗抽泵机组的具体选型如下。

3.1 主泵机组选型

3.1.1 主泵抽速的确定

主泵的有效抽速S计算如下

式中:pg为杜瓦工作压力，取10-3Pa;Q为杜瓦的总气体量，主要由杜瓦及真空元件的放气量Q1和杜瓦漏气量Q2组成，即

式(2)中Q2取1×10-2Pa· L/s;Q1由下式计算可得:

式中:q304为304不锈钢出气率，取1.3×10-8Pa·L/(s·cm2);qcu为紫铜出气率，取2.8 ×10-6Pa· L/(s·cm2);A304为杜瓦表面积，37.446 m2;Acu为冷屏表面积，26.74 m2。

由式(1)—(3)计算可得主泵的有效抽速S=754 L/s。取1.2倍的安全系数，主泵实际要求的有效抽速为 905 L/s［1-2］。

3.1.2 主泵类型的确定

根据超导杜瓦对真空的要求选涡轮分子泵为主泵。分子泵的有效抽速为905 L/s，考虑分子泵与杜瓦之间安装插板阀后泵的抽速损失(一般泵的抽速是有效抽速的3倍左右)，选两台型号为F250/1500分子泵作为主泵，其进气口直径为250 mm，出气口直径为50 mm。分子泵前级泵选旋片式机械泵，分子泵与杜瓦之间安装插板阀GC-250，具体流程如图1所示。图中杜瓦与分子泵之间的主抽真空管道5的直径取400 mm，长1 000 mm;真空支管6的直径250 mm，长200 mm。

为验证主泵选型的合理性，将以其中一套分子泵机组进行试算。

(1)将首先确定杜瓦与分子泵之间的真空管内气体的流动状态。由于分子泵入口压力很低(10-3Pa)，管路出口压力可忽略，则真空管道中的平均压力=pg=0.5 ×10-3Pa，此时 p-d=0.2 ×10-3Pa·m ＜0.02 Pa·m，其中d为真空管直径(400 mm)，可见气体沿杜瓦与分子泵之间的管道的流动状态为分子流。

图1 分子泵机组示意图

(2)分子泵与杜瓦之间的总流导U由真空管道(图1中真空管道5和6)的流导U1、插板阀的流导U2串联得到，具体计算如下。

1)分子泵与杜瓦之间的真空管道为直角管道，其流导U1按直径为400 mm的直管计算:

式中:A为真空管截面积，1 256 mm2;α为克劳新系数，查表取0.212。计算可得:U1=3 089 L/s

2)GC-250插板阀的流导

3)总流导

计算可得杜瓦与分子泵之间的总流导U=2 457 L/s。

则分子泵的抽速

可见，主泵选两台F250/1500分子泵是合适的。

3.1.3 主泵前级管路系统选型

涡轮分子泵前级压力为10 Pa，平稳抽速范围为10-1—10-7Pa。分子泵的最大流量Qmax=10-1Pa×1 500 L/s=150 Pa·L/s，分子泵所配置的前级泵抽速应满足:

式中:Sq为前级泵抽速，L/s;pj为分子泵前级压力，取 10 Pa。

计算可得，Sq＞15 L/s。

F250/1500分子泵的排气口直径为50 mm，选分子泵前级管道的直径d1为50 mm，长度为1 000 m。机械泵与分子泵之间的真空管道平均压力=5 Pa。此时d1=0.25 Pa·m，0.02 Pa·m ＜0.25 Pa·m＜0.67 Pa·m，气体在分子泵与前级泵之间的管道的流动状态为粘滞分子流。

则分子泵前级管道的流导

式中:d1=50 mm，L1=1 000 m，J=3.09，计算可得 U'=93.4 L/s。

分子泵前级泵的抽速

取1.5的安全系数，则Sp1=27 L/s，两台 F250/1500分子泵前级泵分别选配一台2X-30旋片式机械泵。

3.2 粗抽泵机组选型

粗抽泵机组包括罗茨泵和机械泵，在杜瓦抽真空过程中将先启动机组中的机械泵将杜瓦抽至1 000 Pa，再启动罗茨泵将杜瓦抽至10-1Pa。罗茨泵和机械泵的选型具体如下。

3.2.1 罗茨泵选型

罗茨泵的抽速

式中:t3为预抽时间，3 600 s;p3为杜瓦预真空压力，10-1Pa;Kq3为修正系数，取4;V为杜瓦体积，12.5 m3;pi3为罗茨泵开始抽气时的杜瓦压力，103Pa。

计算可得罗茨泵的抽速Sp3=128 L/s，粗抽泵机组中的罗茨泵可选两台ZJ-70罗茨泵。

3.2.2 机械泵选型

机械泵的抽速

式中:t2为预抽时间，3 600 s;p2为杜瓦预真空压力，1 000 Pa;Kq2为修正系数，取1.5;V为杜瓦体积，12.5 m3;pi2为机械泵开始抽气时的杜瓦压力，105Pa。

计算可得机械泵的抽速Sp2=24 L/s。粗抽泵机组中的机械泵可选两台2XZ-15直联式旋片真空泵［2］。

4 结论

本研究根据40T混合磁体外超导磁体杜瓦对真空的要求，对其杜瓦真空系统进行了设计计算，杜瓦真空系统采用先由粗抽泵机组抽至10-1Pa，最由分子泵机组抽至10-3Pa的方案，其中粗抽泵机组由两套ZJ-70罗茨泵和2XZ-15直联式旋片真空泵组成，主泵机组由两套F250/1500涡轮分子泵和2X-30旋片式机械泵组成。

1 达道安.真空设计手册［M］.北京:国防工业出版社，2006.

2 张以忱，黄 英.真空材料［M］.北京:冶金工业出版社，2005.