磁场环境对真空获得设备运行的影响

摘要：许多设备在工作时都会产生磁场，比如，家用电冰箱的磁场强度约有10高斯（1mT），MRI （核磁共振）的磁场强度甚至会高达 3T；尽管可以采取屏蔽等措施，仍然可能会有外漏的杂散磁场，对工作在附近的真空泵产生不好的影响。

许多设备在工作时都会产生磁场，比如，家用电冰箱的磁场强度约有10高斯（1mT），MRI （核磁共振）的磁场强度甚至会高达 3T；尽管可以采取屏蔽等措施，仍然可能会有外漏的杂散磁场，对工作在附近的真空泵产生不好的影响。

以涡轮分子泵为例，当涡轮分子泵的转子在磁场中旋转时，会产生涡流。这些电流倾向于阻碍转子的旋转，并导致电机的功率增大。由于泵转子不与定子接触，涡流产生的热量和额外的功率主要通过辐射消散。因此，可能会导致转子过热。

为了确认磁场对分子泵工作的影响，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）设计并执行了下面的测试。

测试条件和装置：被测分子泵的型号为 TwisTorr304 FS CFF6，使用一对亥姆霍兹线圈（直径120厘米）来产生包围整个泵的均匀磁场。

被测分子泵由一台涡旋干泵作为前级，分子泵的进气口压力抽至 10-1 Pa 以下（该压力以下，热对流几乎为零，分子泵转子的热量仅可以通过辐射传递出去很小的一部分）。使用 20℃ 的冷却水对分子泵持续进行冷却；分子泵的控制器会自动调整电机电流，保持转子以恒定转速运行。

使用安装于分子泵口的红外温度计测量被测试分子泵的转子温度。使用连接到分子泵外壳的 PT100 热电阻测量定子的温度。

测试过程试验期间，涡轮泵以满转速持续运行。初始的磁场设置为 1mT ，泵在该磁场下运行12个小时以稳定转子温度；然后关闭磁场，再运行12个小时以使转子降温；然后再分别把磁场设置为 2mT，按照前面的步骤继续进行测试，直至磁场增加到 7mT 。

测试结果如上图所示，当磁场逐步增加后，被测分子泵转子的平衡温度也随之上升，当磁场强度为 7mT 时，平衡温度上升到 100 摄氏度左右（安捷伦分子泵的最大允许温度为 120 度）。以上结果表明磁场对分子泵的运行有显著影响。

另外，KIT 使用该测试平台测试了另一台其它品牌的分子泵，一系列的对比测试表明，安捷伦分子泵在相同的磁场条件下转子的平衡温度明显较低（5mT 时，低大约40度）。

上述实验只是对于涡轮分子泵的影响层面。总结一下，磁场对真空获得设备的影响主要体现在以下几个方面：

❶ 影响电机性能：磁场会干扰真空泵的电机转子旋转，导致电机功率增大，甚至可能引起过热。例如，在涡轮分子泵中，磁场会导致转子产生涡流，这些涡流会阻碍转子的旋转，增加电机的功率消耗，并可能导致转子过热。

❷ 影响泵的抽气效果：磁场会吸附气体，从而影响真空泵的抽气效果，导致无法达到预期的真空状态。在使用干式真空泵时，使用磁性材料会吸附气体，影响泵的抽气效果。

❸ 影响泵的稳定性和寿命：磁场会导致泵的旋转稳定性下降，影响泵的正常工作。干式真空泵使用磁性材料会引起磁滞现象，影响泵的旋转稳定性，导致泵无法正常工作。

在很多真空应用中，磁场对于真空获得设备的影响是不可避免的。比如同步加速器及大型核聚变装置。以同步加速器为例，装置庞大而复杂，除了真空系统外，同步加速器包裹着大量的磁铁。这些磁铁会约束加速粒子，给粒子弯转力以控制粒子轨道，使粒子沿既定中心轨道运动。

然而，电磁系统会产生强磁场、强辐射和电磁干扰，对于真空系统会产生很大影响。针对特定磁场环境，部分真空设备制造商通过创新并改变泵体结构，以满足应用场景的需要。在此方面，安捷伦的溅射离子泵产品已经积累了丰富的经验。

产生超高真空和极高真空对于直线加速器的真空系统设计人员、组装人员和操作人员而言是一项巨大的挑战。安捷伦溅射离子泵拥有二极泵设计，最初由瓦里安公司设计（Varian 瓦里安公司为安捷伦真空部门的前身、创建于1948年，于1957年发明了第一台溅射离子泵）。针对离子泵各结构优化，包括抽气单元结构、磁铁结构、磁路设计以及多层复合泵等，瓦里安公司申请了大量相关专利。包括下图中：

（ａ）将阳极筒结构由圆筒改为波浪线型，因传统阳极筒阵列的阳极筒之间存在缝隙，缝隙的存在对抽气性能无有益效果却增大了抽气单元体积，波浪线型阳极筒消除了缝隙且在相同体积下提高了阳极筒个数；

（ｂ）在阴极板与永磁铁之间添加圆管并粘附在阴极板上，在圆管中通入冷却水用以降低抽气单元内的温度，因潘宁放电属于冷阴极放电，保证泵内温度对潘宁放电的进行及提高抽气性能具有有益效果；

（ｃ）在传统结构基础上于泵下方添加两块永磁铁，除了可以增强整体的磁场强度，还在一定程度上起到导磁作用，完善了磁场分布。

近些年，安捷伦与德国电子同步加速器（DESY）项目进行合作，该项目需要离子吸气剂泵以满足其超高真空要求，但需要一种新颖的设计来应对其独特的直线加速器的挑战。

安捷伦新型离子吸气剂泵设计针对其应用进行了优化。对于 DESY 加速器，由于磁体非常规排列，用于引导磁力线和元素位置的极片几何形状大幅降低了对电子束轨迹的干扰。通过这种方式，安捷伦改善了离子泵对电子束的光学屏蔽，并显著提高了泵的抽速。

▲ 安捷伦与 DESY 合作助力加速粒子与科学

安捷伦也和欧洲核子研究组织（CERN）及其他主要物理研究中心建立了长达数十年的合作关系，对于粒子加速器的真空应用已经非常熟悉。

安捷伦真空（原瓦里安真空）与欧洲核子研究组织的合作可以追溯到到1967年，当年的瓦里安（Varian）在意大利都灵（Torino）开设了专门的工厂，为 CERN 制造超高真空离子泵。从那时起，瓦里安及现在的安捷伦持续为 CERN 提供高真空和超高真空解决方案。

1971年，300台抽速为 400 l/s 的溅射离子泵第一次被安装到了强子对撞机 ISR（相交储存环）项目上；1983年，超过1000台 Starcell 离子泵被安装到了大型正负电子对撞机（LEP）项目上，并在此后被 CERN 的几乎每个大型项目列为标准配置；大型强子对撞机（LHC）是世界上最大，功能最强大的粒子加速器，在长达27公里的光束环上，每隔一段距离就有一台安捷伦离子泵在工作。