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作者及发表信息
本研究由孟秋敏、欧阳峥嵘、李洪强（中国科学院强磁场科学中心，合肥）合作完成，发表于2012年第5期《低温工程》（*cryogenics*）期刊，文章编号1000-6516(2012)05-0019-03，受合肥物质科学研究院知识创新工程领域前沿项目（y06js11121b）资助。
学术背景
研究领域：本研究属于低温工程与真空技术交叉领域，聚焦于稳态强磁场装置中超导磁体的真空系统设计。
研究动机：国家“十一五”大科学工程“稳态强磁场实验装置”需建设40 T（特斯拉）混合磁体，其外超导磁体（11 T）需在4.5 K极低温下运行。为降低热负荷，超导磁体需置于高真空杜瓦（cryostat）中，而真空系统的性能直接影响磁体稳定性。
研究目标：设计一套满足杜瓦真空度要求（室温下≤10⁻³ Pa，漏率≤1×10⁻² Pa·L/s）的真空系统，并验证其可行性。
研究流程与方法
1. 真空系统需求分析
- 杜瓦参数：材质为304不锈钢，内表面积37.446 m²，体积12.5 m³；内置80 K冷屏（紫铜材质，表面积26.74 m²）。
- 气体负荷计算：通过公式（1）—（3）计算总气体量（*Q*），包括材料放气量（*Q₁*，不锈钢与紫铜的放气率分别为1.3×10⁻⁸ Pa·L/(s·cm²)和2.8×10⁻⁶ Pa·L/(s·cm²)）和漏气量（Q₂ = 1×10⁻² Pa·L/s）。最终确定主泵有效抽速需≥905 L/s（含1.2倍安全系数）。
2. 主泵机组设计
- 主泵选型：选用两台F250/1500涡轮分子泵（turbo-molecular pump），单台抽速1,500 L/s，进气口直径250 mm。
- 流导验证：
- 计算杜瓦与分子泵间管道的流导（*U*），包括主抽真空管（直径400 mm，长1,000 mm）和真空支管（直径250 mm，长200 mm）的串联流导（U₁ = 3,089 L/s）与插板阀（GC-250）流导（U₂ = 12,000 L/s），总流导为2,457 L/s。
- 通过公式*Sₚ = SU/(U−S)*验证分子泵实际抽速（1,433 L/s）满足需求。
- 前级泵配置：选用2X-30旋片式机械泵（rotary vane pump），抽速27 L/s，满足分子泵前级压力（10 Pa）要求。
3. 粗抽泵机组设计
- 罗茨泵选型：两台ZJ-70罗茨泵（Roots pump），抽速128 L/s，将杜瓦从大气压抽至10⁻¹ Pa。
- 机械泵选型：两台2XZ-15直联式旋片真空泵，抽速24 L/s，负责初始阶段（从大气压抽至1,000 Pa）。
4. 流动状态验证
- 分子泵管路：气体流动为分子流（p̄d < 0.02 Pa·m）。
- 前级管路：气体流动为粘滞分子流（0.02 Pa·m < p̄₁d₁ < 0.67 Pa·m）。
主要结果
- 主泵性能：两台F250/1500分子泵联合抽速达3,000 L/s，远超计算需求（905 L/s），确保杜瓦真空度≤10⁻³ Pa。
- 粗抽效率：罗茨泵与机械泵组合可在3,600秒内将杜瓦从大气压抽至10⁻¹ Pa。
- 系统冗余：双泵机组设计提供容错能力，单泵故障时仍可维持基本功能。
结论与价值
科学价值：
- 提出了一种适用于大型超导磁体的高真空系统设计方法，结合理论计算与工程验证，为同类装置提供参考。
- 明确了304不锈钢与紫铜在低温下的放气率对真空系统设计的关键影响。
应用价值：
- 该真空系统已成功应用于40 T混合磁体项目，保障了超导磁体的稳定运行，支撑了凝聚态物理、材料科学等前沿研究。
研究亮点
- 创新设计：采用“粗抽+主抽”双阶段方案，兼顾效率与极限真空要求。
- 参数精细化：通过流导计算与流动状态分析，优化管道尺寸与泵配置。
- 工程实用性：选型均为成熟工业设备（如F250/1500分子泵），降低研发风险。
其他有价值内容
- 研究引用了《真空设计手册》（达道安，2006）和《真空材料》（张以忱等，2005）作为理论基础，体现了真空技术领域的标准参考依据。
- 文中未提及实验误差分析，但通过1.2—1.5倍安全系数覆盖了潜在不确定性。