40 T混合磁體外超導磁體杜瓦真空系統設計

孟秋敏 歐陽崢嶸 李洪強

(中國科學院強磁場科學中心 合肥 230031)

1 引言

為開展凝聚態物理、化學、材料科學、地學、生物學、生命科學和微重力等，國家“十一五”大科學工程穩態強磁場實驗裝置擬建一臺具有國際先進水平的40 T穩態混合磁體實驗裝置。40 T混合磁體由11 T學科的前沿研究提供強磁場平臺，外超導磁體和29 T內水冷磁體組成。其中11 T外超導磁體運行在4.5 K，為降低超導磁體在低溫下的熱負荷，將其置于可提供高真空工作環境的真空杜瓦中，杜瓦達到磁體正常工作所要求的真空水平是保障超導磁體正常運行的關鍵條件之一。本研究將針對40 T混合磁體外超導磁體杜瓦設計一套真空系統。

2 40 T混合磁體外超導磁體杜瓦及其對真空度的要求

40 T混合磁體外超導磁體杜瓦材質為304不銹鋼，內表面積為 37.446 m2，體積為 12.5 m3。為降低超導磁體的輻射熱負荷，在杜瓦內壁與超導磁體之間裝有80 K冷屏，冷屏材質為紫銅，表面積26.74 m2。外超導磁體杜瓦要求室溫下的真空度達到10-3Pa，總漏率為1×10-2Pa·L/s。

3 40 T混合磁體外超導磁體杜瓦真空系統設計

外超導磁體杜瓦真空系統將采用先由粗抽泵機組粗抽，將杜瓦抽至10-1Pa，再由主泵機組抽至所要求的真空度10-3Pa的方案。其中主泵機組和粗抽泵機組的具體選型如下。

3.1 主泵機組選型

3.1.1 主泵抽速的確定

主泵的有效抽速S計算如下

式中:pg為杜瓦工作壓力，取10-3Pa;Q為杜瓦的總氣體量，主要由杜瓦及真空元件的放氣量Q1和杜瓦漏氣量Q2組成，即

式(2)中Q2取1×10-2Pa· L/s;Q1由下式計算可得:

式中:q304為304不銹鋼出氣率，取1.3×10-8Pa·L/(s·cm2);qcu為紫銅出氣率，取2.8 ×10-6Pa· L/(s·cm2);A304為杜瓦表面積，37.446 m2;Acu為冷屏表面積，26.74 m2。

由式(1)—(3)計算可得主泵的有效抽速S=754 L/s。取1.2倍的安全系數，主泵實際要求的有效抽速為 905 L/s［1-2］。

3.1.2 主泵類型的確定

根據超導杜瓦對真空的要求選渦輪分子泵為主泵。分子泵的有效抽速為905 L/s，考慮分子泵與杜瓦之間安裝插板閥后泵的抽速損失(一般泵的抽速是有效抽速的3倍左右)，選兩臺型號為F250/1500分子泵作為主泵，其進氣口直徑為250 mm，出氣口直徑為50 mm。分子泵前級泵選旋片式機械泵，分子泵與杜瓦之間安裝插板閥GC-250，具體流程如圖1所示。圖中杜瓦與分子泵之間的主抽真空管道5的直徑取400 mm，長1 000 mm;真空支管6的直徑250 mm，長200 mm。

為驗證主泵選型的合理性，將以其中一套分子泵機組進行試算。

(1)將首先確定杜瓦與分子泵之間的真空管內氣體的流動狀態。由于分子泵入口壓力很低(10-3Pa)，管路出口壓力可忽略，則真空管道中的平均壓力=pg=0.5 ×10-3Pa，此時 p-d=0.2 ×10-3Pa·m ＜0.02 Pa·m，其中d為真空管直徑(400 mm)，可見氣體沿杜瓦與分子泵之間的管道的流動狀態為分子流。

圖1 分子泵機組示意圖

(2)分子泵與杜瓦之間的總流導U由真空管道(圖1中真空管道5和6)的流導U1、插板閥的流導U2串聯得到，具體計算如下。

1)分子泵與杜瓦之間的真空管道為直角管道，其流導U1按直徑為400 mm的直管計算:

式中:A為真空管截面積，1 256 mm2;α為克勞新系數，查表取0.212。計算可得:U1=3 089 L/s

2)GC-250插板閥的流導

3)總流導

計算可得杜瓦與分子泵之間的總流導U=2 457 L/s。

則分子泵的抽速

可見，主泵選兩臺F250/1500分子泵是合適的。

3.1.3 主泵前級管路系統選型

渦輪分子泵前級壓力為10 Pa，平穩抽速范圍為10-1—10-7Pa。分子泵的最大流量Qmax=10-1Pa×1 500 L/s=150 Pa·L/s，分子泵所配置的前級泵抽速應滿足:

式中:Sq為前級泵抽速，L/s;pj為分子泵前級壓力，取 10 Pa。

計算可得，Sq＞15 L/s。

F250/1500分子泵的排氣口直徑為50 mm，選分子泵前級管道的直徑d1為50 mm，長度為1 000 m。機械泵與分子泵之間的真空管道平均壓力=5 Pa。此時d1=0.25 Pa·m，0.02 Pa·m ＜0.25 Pa·m＜0.67 Pa·m，氣體在分子泵與前級泵之間的管道的流動狀態為粘滯分子流。

則分子泵前級管道的流導

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

分子泵前級泵的抽速

取1.5的安全系數，則Sp1=27 L/s，兩臺 F250/1500分子泵前級泵分別選配一臺2X-30旋片式機械泵。

3.2 粗抽泵機組選型

粗抽泵機組包括羅茨泵和機械泵，在杜瓦抽真空過程中將先啟動機組中的機械泵將杜瓦抽至1 000 Pa，再啟動羅茨泵將杜瓦抽至10-1Pa。羅茨泵和機械泵的選型具體如下。

3.2.1 羅茨泵選型

羅茨泵的抽速

式中:t3為預抽時間，3 600 s;p3為杜瓦預真空壓力，10-1Pa;Kq3為修正系數，取4;V為杜瓦體積，12.5 m3;pi3為羅茨泵開始抽氣時的杜瓦壓力，103Pa。

計算可得羅茨泵的抽速Sp3=128 L/s，粗抽泵機組中的羅茨泵可選兩臺ZJ-70羅茨泵。

3.2.2 機械泵選型

機械泵的抽速

式中:t2為預抽時間，3 600 s;p2為杜瓦預真空壓力，1 000 Pa;Kq2為修正系數，取1.5;V為杜瓦體積，12.5 m3;pi2為機械泵開始抽氣時的杜瓦壓力，105Pa。

計算可得機械泵的抽速Sp2=24 L/s。粗抽泵機組中的機械泵可選兩臺2XZ-15直聯式旋片真空泵［2］。

4 結論

本研究根據40T混合磁體外超導磁體杜瓦對真空的要求，對其杜瓦真空系統進行了設計計算，杜瓦真空系統采用先由粗抽泵機組抽至10-1Pa，最由分子泵機組抽至10-3Pa的方案，其中粗抽泵機組由兩套ZJ-70羅茨泵和2XZ-15直聯式旋片真空泵組成，主泵機組由兩套F250/1500渦輪分子泵和2X-30旋片式機械泵組成。

1 達道安.真空設計手冊［M］.北京:國防工業出版社，2006.

2 張以忱，黃 英.真空材料［M］.北京:冶金工業出版社，2005.