孟秋敏 歐陽崢嶸 李洪強(qiáng)

(中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心 合肥 230031)

1 引言

為開展凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料科學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)、生命科學(xué)和微重力等，國家“十一五”大科學(xué)工程穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置擬建一臺具有國際先進(jìn)水平的40 T穩(wěn)態(tài)混合磁體實(shí)驗(yàn)裝置。40 T混合磁體由11 T學(xué)科的前沿研究提供強(qiáng)磁場平臺，外超導(dǎo)磁體和29 T內(nèi)水冷磁體組成。其中11 T外超導(dǎo)磁體運(yùn)行在4.5 K，為降低超導(dǎo)磁體在低溫下的熱負(fù)荷，將其置于可提供高真空工作環(huán)境的真空杜瓦中，杜瓦達(dá)到磁體正常工作所要求的真空水平是保障超導(dǎo)磁體正常運(yùn)行的關(guān)鍵條件之一。本研究將針對40 T混合磁體外超導(dǎo)磁體杜瓦設(shè)計一套真空系統(tǒng)。

2 40 T混合磁體外超導(dǎo)磁體杜瓦及其對真空度的要求

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

3 40 T混合磁體外超導(dǎo)磁體杜瓦真空系統(tǒng)設(shè)計

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

3.1 主泵機(jī)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(shù)，主泵實(shí)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(jù)超導(dǎo)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(jìn)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(jī)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(yàn)證主泵選型的合理性，將以其中一套分子泵機(jī)組進(jìn)行試算。

(1)將首先確定杜瓦與分子泵之間的真空管內(nèi)氣體的流動狀態(tài)。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(tài)為分子流。

圖1 分子泵機(jī)組示意圖

(2)分子泵與杜瓦之間的總流導(dǎo)U由真空管道(圖1中真空管道5和6)的流導(dǎo)U1、插板閥的流導(dǎo)U2串聯(lián)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(dǎo)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(shù)，查表取0.212。計算可得:U1=3 089 L/s

2)GC-250插板閥的流導(dǎo)

3)總流導(dǎo)

計算可得杜瓦與分子泵之間的總流導(dǎo)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(tǒng)選型

渦輪分子泵前級壓力為10 Pa，平穩(wěn)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(yīng)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(jī)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(tài)為粘滯分子流。

則分子泵前級管道的流導(dǎo)

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(shù)，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(jī)械泵。

3.2 粗抽泵機(jī)組選型

粗抽泵機(jī)組包括羅茨泵和機(jī)械泵，在杜瓦抽真空過程中將先啟動機(jī)組中的機(jī)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(jī)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(yù)抽時間，3 600 s;p3為杜瓦預(yù)真空壓力，10-1Pa;Kq3為修正系數(shù)，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(jī)組中的羅茨泵可選兩臺ZJ-70羅茨泵。

3.2.2 機(jī)械泵選型

機(jī)械泵的抽速

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

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

4 結(jié)論

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

1 達(dá)道安.真空設(shè)計手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

2 張以忱，黃 英.真空材料［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.