Page 101 - 《真空与低温》2026年第2期

真空与低温 第 32 卷 第 2 期
220 Vacuum and Cryogenics 2026 年 3 月

基 于 GM 制 冷 机 的 超 大 抽 速 低 温 泵 研 制 成 功

张英明 ，闫 格 1, 2 ，张兆慧 ，刘伟成 1, 2 ，王孟孟 1
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（1. 兰州真空设备有限责任公司华宇分公司，兰州 730000；
2. 兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

超大抽速内置式低温泵是受控核聚变装置中性束注入器真空度获得的重要部件，其对氢气的抽速
可达每秒几十万升乃至数百万升。目前，超大抽速低温泵的冷却大多采用大型氦制冷系统，利用液氦或低

温气氦为低温泵提供冷量。但大型氦制冷系统复杂，建设和维护成本高，占地面积大。近年来，随着液氦
温区小型 GM 制冷机的发展日臻成熟，冷量不断增大，GM 制冷机应用于超大抽速内置式低温泵成为可能。
近期，兰州空间技术物理研究所所属的兰州真空设备有限责任公司为用户研制完成了一种基于 GM 制冷
机的内置式超大抽速低温泵。
内置式低温泵由 4 K GM 制冷机、低温冷板、辐射挡板、U 型屏蔽壳和顶法兰组成。低温泵内插
进中性束容器，通过顶法兰与中性束容器连接。低温泵包括 2 组吸附单元，吸附单元长度为 2 m，泵体
结构如图 1（a）所示。每个吸附单元的低温冷板采用 1 台 GM 制冷机冷却，将其温度控制在 10 K 左右。
吸附单元采用具有三级人字形辐射屏蔽结构，每层辐射屏蔽挡板后设置粘有活性炭的低温冷板。低
温泵依靠低温冷板上的活性炭吸附中性束容器内的气体。U 形壳体和辐射挡板均采用液氮冷却，使其
温度控制在 90 K 左右。所采用的三级人字形辐射屏蔽结构，热屏蔽好、流导大。三级吸附阵结构示意图
如图 1（b）所示。

顶法兰

辐射挡板
（液氮制冷）

U形壳
（液氮制冷）
GM制冷机

冷板（GM制冷机）
（a）吸附单元组示意图 （b）三级吸附阵结构示意图

图 1 低温泵结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of cryopump

GM 制冷机通过导冷连接结构与低温冷板连接，可有效减小传热热阻，成为低温冷板具备良好抽气
能力的关键因素。低温泵结构设计采取以下措施：（1）低温冷板及导冷连接结构的材料均采用高导无氧
铜，减小材料本身热阻。（2）在低温冷板与导冷连接结构之间垫铟片，减小接触热阻。（3）导冷连接结构
采用柔性结构，避免工程加工误差导致制冷机与冷板的热接触不良。
性能测试显示，低温泵降温时间约为 9.5 h，低温冷板远制冷机端温度约为 10 K，如图 2（a）所示；
4
−3
在 10 Pa 真空范围内，低温泵平均抽速为 151×10 L/s，如图 2（b）所示；单位送气面积抽速为 12.26×
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10 L/（s∙m ），满足用户对低温泵 140×10 L/s 的抽速要求。该低温泵目前已在用户的核聚变装置中正常
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运行。