真空系统作为SHINE低温系统测试站的重要组成部分，设计满足以下几点要求：1.安全可靠原则，真空设备和元器件必须保证工作可靠，能够长时间连续稳定运行，尽量少维护，关键部件能承受断电、防辐射等事件；2.标准化配置原则，选择合适的真空设备和元器件，非标件尽量采用标准化设计，优化真空系统总体布局；3.可扩展原则，留有一定的接口和余地，满足后期改造和升级的发展需求^{[7, 8]}。

基于以上原则，测试站的真空系统由数个相对独立的真空区段组成，包括80 K低温传输线、4~300 K低温传输线、五通道传输线、六通道传输线、阀箱等部分。多通道及单通道长距离管线又用真空隔断将分成多个独立的区间，每一段配备1~2个固定抽口与无油涡轮分子泵机组相连，用以真空度获得；每段中安装1~2组真空测量元件，用以监测系统真空度，同时实现与真空阀门等设备的连锁保护。真空获得设备与各个真空区段之间通过气动高真空阀门进行隔离，一方面是为了便于对每个区段进行独立的真空设备安装、调试维护及抽空工作，另一方面，在测试站正常运行期间当某一区段真空恶化或暴露大气时，通过真空连锁保护装置使气动真空阀门、泵组等设备自动关闭，避免其它真空区段产生冲击，减小故障影响范围。

图2为真空系统1#厅布置图。采用分子泵机组为阀箱和低温传输线抽真空的主泵，其中阀箱基于上述布置位置，采用2台阀箱共用一套分子泵组的形式；多通道传输线按照30~40米配置一套分子泵组。1#低温测试厅主要传输线的各个区段具体设计如下所述：

（1）五通道低温传输管线段。五通道低温传输管线段分为四段，该真空段主泵为4台CF100的分子泵组，测量设备是4组复合真空规，量程为10⁻⁷~10⁵ Pa，控制设备包括4 台CF63气动真空阀门；

（2）单低温传输管线段（H管）。 4~300 K低温传输管线段分为2段，该真空段主泵为2台CF100的分子泵组（与五通道共用），测量设备是2组复合真空规（与五通道共用），量程为10⁻⁷~10⁵ Pa，控制设备包括2台KF40气动真空阀门；

（3）80 K低温传输管线段（G管）。80 K低温传输管线段与400 K类似，其控制设备为2台 KF25气动真空阀门，主泵与测量设备均与五通道共用；

（4）低温阀箱。两套阀箱共用一台CF100的分子泵组，其控制设备为6台CF63气动真空阀门，测量设备是6组复合真空规，量程为10⁻⁷~10⁵ Pa。

真空系统是大型低温制冷系统的关键部件之一，只有在合适的真空环境中运行，制冷机才能将相应指标的供冷介质输运到测试平台^[9-11]。真空系统的主要目标就是获得和维持较好的真空度，保证在尽可能小的冷量损失条件下，满足超导高频测试平台供冷介质的目标需要^[12]。同时，要与低温传输线的其它关联系统，如分配传输系统、制冷机系统及控制系统配合，充分考虑各真空部件空间、时间、连锁等问题。由于真空设备的实际工作传输管线跨度较长、真空腔体较大及洁净度不高等因素，系统设计的总体要求应满足“高效、稳定、可靠、耐用，易维护少维护”等基本设计原则。

低温传输线真空系统的主要研制目标如下：

（1）合适的真空环境。在自由电子激光装置上，真空系统的首要目标是为低温流体的运行提供的合适真空环境，减少长距离传输线累积的能量损失。如图3所示，当压强低于10⁻² Pa时，传热量趋于定值，残余气体的对流换热可忽略不计，N表示不同绝热多层材料的包扎层数^[13]。因此，低温传输线及阀箱等真空腔体的室温稳态平均工作压力设置为10⁻² Pa或低温平均工作压力为10⁻³ Pa；

（2） 较低的真空漏率。各真空阀、密封接口各单元真空腔体整体漏率≤5.0×10⁻¹⁰ Pa·m³/s；

（3）洁净度。所有真空元器件、管路及焊接位置均安装前均进行真空清洗，表面无污染现象；

（4）焊缝探伤。低温传输管线等内管无损探伤，外管渗透探伤；

（5）低温冷激。内管焊接位置均需液氮冷激测试。

低温传输线及分配阀箱等腔体的常温真空度要求稳态平均压强小于1×10⁻² Pa、低温下的稳态平均压强小于1.0×10⁻³ Pa，又根据真空腔体的不同及空间分布特点，传输线及分配阀箱又分为若干独立调试的真空段，每段上都有真空规用于测量真空度、固定抽口用于接分子泵机组或检漏仪进行抽空和检漏。同时，分子泵组、真空规以及阀门都需要远程控制，规、阀、泵还作为机器联锁保护的必要硬件条件。

参考其它真空系统设计，SHINE测试站真空系统采用带有预抽功能的分子泵组的抽气方案，保证系统和装置的可靠性和安全性，如图4所示。同时由于针对的是大型真空系统，用主泵配置的前级泵作为粗抽泵是不可取的。若为了缩短粗抽时间，前级泵需配置较大，长期运行耗能较高，不经济。为此，所有单元的真空系统配有专门的非在线大抽速粗抽泵组。

低温传输线中的多通道传输线的内部低温管采用316L无缝不锈钢管，外部真空管道采用304有缝不锈钢管，内部管道包缠10层的多层绝热材料；在内部管道与真空外管间设置铝冷屏，减少内管的辐射漏热；在冷屏上包裹30层的多层绝热材料，减少冷屏的辐射漏热。多通道的低温传输线结构参数及材料放气率见表1^[14]。

该低温管线真空腔体放气材料主要不锈钢、铝合金、绝热多层材料等，其中绝热多层材料的放气量相对最大，其主要是由双面镀铝聚酯膜和脱脂玻璃纤维布组成，包裹在内管和冷屏的外表面，真空腔体的漏气率设为5.0×10⁻¹⁰ Pa·m³/s，内管、外壳等金属壁面的放气量忽略不计。在真空泵抽空过程中，多层绝热材料的放气速率随时间变化满足以下关系式^[15] (1)。

由于真空室中不涉及试验材料，所以在抽真空过程中残余气体体积是恒定的，因此变化率为0。真空漏气和渗透气体不包括在总气载量计算中，则相应的总气载计算公式为（2）:

真空外壳与内管之间的夹层主泵全部采用分子泵，其完全无油、可靠性高、大抽速和高极限真空度的特点非常适合此腔体的真空环境。真空系统选择多通道传输线，以抽空容积最大、管线最长段的真空腔体进行泵组选型校验，该段传输管线常温平均工作压强设为1.0×10⁻² Pa，假定不考虑到主泵到真空腔体出口的抽速损失，由此粗算主泵有效抽速公式为（3）：

经计算可知，低温管线真空腔体的放气量为2.53×10⁻³ Pa·m³/s，需要真空泵组的有效抽速：S=253 L/s。按照上述的分子泵抽速，选择350 L/s主泵并匹配10 L/s前级泵的机组为例，根据理论泵抽空时间关系式^[16]（4），并结合材料放气这部分气载，校核了低温管线抽空至1.0×10⁻² Pa所需的时间。

由图5可知，粗真空到中真空阶段分子泵的有效抽速较大，抽空效果较好，随着传输管线真空度的提高，分子泵组的有效抽速呈现逐渐下降的趋势。由图可知，理论上达到设定指标抽空时间约为320 h，由于真空系统的渗透、泄漏、水蒸气和油污等因素的影响，实际抽空时间比理论计算的要长，一般情况下，实际泵送时间为计算时间的1.5~2倍。但实际测试降温过程中，低温管线常温真空度处于10⁻¹ Pa量级时，也可进行降温测试，实际抽空时间约为120 h，满足低温传输线等腔体的真空度与时间进度的需求。

根据上述计算结果，测试站低温传输管线匹配的分子泵关键指标为：具有快速抽真空、外形紧凑、干式、耐用的系统；分子泵最高抽速≥260 L/s，进气法兰尺寸≥DN100，极限压强≤10⁻⁶ Pa；前级机械泵为干泵，抽速≥10 L/s；带宽量程真空计及通讯线，良好的售后服务。经过测试对比，选择了Edwards/ Pfeiffer生产的性价比较高的两款分子泵，其规格参数见表2。

真空系统抽气包括两部分，第一部分是罗茨泵组粗抽；第二部分是用分子泵组作为主泵抽至要求真空度。其中，粗抽罗茨泵组可将真空系统从大气抽到泵口10⁻¹ Pa，同时承担系统常规检漏和置换抽空、烘烤抽空时主要排气任务。粗抽机组设计成为移动式的，方便多个区段的长距离管线切换抽空，泵组含泵架、管道、阀门、真空规、及本地控制系统。罗茨泵组的主要技术参数如下：

（1）泵组入口极限压强：≤1×10⁻² Pa;

（2）罗茨泵名义抽速：505 m³/h，前级干泵抽速：65 m³/h；

（3）泵口为DN63ISO-K快接法兰；

（4）泵的安装角度：任意角度；

（5）泵组可长时间能够在大气压下工作，适应大容积腔体的抽空。

真空规是SHINE低温传输管线及阀箱真空系统中重要设备之一，是测量稳态真空和动态真空的必须设备^[17]。不但能够测量真空度，还能提供给保护信号，用以与其他系统连锁控制，因此需要测量精确、运行稳定、能够满足该测量范围要求的真空规。

传输线及阀箱降温测试运行时的真空测量范围在10⁻⁶ Pa ~10⁻³ Pa，常温下以及前级抽空过程中，腔体的真空度在10⁻³ Pa~10⁵ Pa，故选用全量程冷规可满足测量要求。一般在每个真空段布置1~ 2 组全量程冷规，作为测量或在线备用，当参与联锁的真空规出现故障可切换到另一只规上，减少开隧道维护的时间。

作为真空系统的重要组成元件，真空阀门对真空系统性能有着重要的影响，同时它也是真空联锁中必不可少的一个硬件条件^[18]。真空阀门用于分子泵机组与真空腔体的通断，即低温传输管线或阀箱与各分子泵组之间用CF63真空阀门隔开。CF63气动真空阀门的主要技术指标如表3所示。

在常温应用中，有各种各样的泄漏检测方法，包括气泡检测、质量流量检测、压力变化检测以及更灵敏的检测方法，如卤素泄漏检测、声波泄漏检测、红外线吸收法检漏技术，以及氦质谱检漏技术^[19]。然而，以上所有方法并非都可应用于低温管线或容器的泄漏检测。采用氦质谱检漏仪，具有灵敏度高、精度高等优点。同时，氦气具有低沸点、高渗透速率、高导热系数和操作安全等良好的热物性，是常温及低温容器检漏的理想介质^[20,-21]。

测试站真空系统采用氦质谱检漏仪用于低温管线或阀箱等真空腔体检漏，检漏仪真空模式下最小可检测的氦泄漏率≤1×10⁻¹² Pa·m³/s，吸枪模式最小可检测的氦泄漏率≤1×10⁻⁸ Pa·m³/s 。所有低温管线或阀箱均利用氦质谱检漏仪均进行负压检漏，对过渡段焊缝用氦气喷扫，漏率＜1×10⁻¹¹ Pa·m³/s时满足要求。如果不达标，需采取漏点定位、补焊等措施，直至所有真空段漏率均满足要求。

真空设备控制系统主要通过对真空设备相关的真空规进行实时监测，根据低温系统不同工作模式的需求，通过调节相应阀门、泵组动作，实现真空环境的保持，以满足低温系统正常工作及模组测试所需调节。除此以外，还需根据用户提供的连锁逻辑，实现设备安全连锁功能及调试所需的本地/远程控制功能。

针对1 kW@2 K测试环境下的绝热真空数据采集与控制问题，设计采用远程I/O模块结合PLC、EPICS进行控制系统开发，可以远程实时监测系统内真空数值以及分子泵、电磁阀的启停，确保低温传输管道的真空要求，同时通过PLC与EPICS开发的界面控制程序，可以实时查看各个被控设备趋势线并记录历史的真空数据，并实现了泵组、电磁阀和管线真空度等控制的智能化，如图6所示。

上述的真空设备控制系统主要的真空联锁逻辑如下：

（1）参与联锁的真空规分别由不同的真空计控制；

（2）当某个真空规达到10⁻¹ Pa，真空控制系统实现自动运行，如图7所示；

（3）当某个真空规达到预警值1 Pa时，引起报警；

（4）当真空规读数同时高于50 Pa时，报警并连锁关闭全段真空阀门、泵组，并控制与联锁涉及到与其相关的工艺、制冷机系统、分配传输系统等元器件。

2020年10月在完成SHINE测试站低温工厂传输线及阀箱等腔体的安装之后，对每个真空区段进行一系列工艺过程，满足指标后又进行绝真空的抽空检漏。在每个部件都达到漏率测试要求之后进行了真空设备有序的安装。由于真空抽气系统的真空度较高，在真空设备装配时对装配环境及装配精度要求较高。

低温传输线及阀箱现场安装过程中绝热空间会暴露大气，多层材料及管壁上都会有部分气体吸附，为减少使用过程中的放气率。低温管线及阀箱抽空时，会采用氮气置换抽空或加热烘烤等工艺，使腔体尽可能充分加热，加热温度控制在80℃~100℃。开始加热时，低温传输线真空夹层会充入氮气，以充分换热，置换3~5遍；对于绝热材料的处理，现场具备条件时，会对管路通热氮气加热处理，如图8所示。经过以上工艺操作，方可对腔体进行极限抽空。

经过1~2周的间歇性极限抽空，测试站真空系统常温下达到预期要求。经过低温系统多次降温联调测试，各真空区段内的所有真空设备均可以稳定运行，且真空腔体保持了较好的真空度。如图9所示，室温下真空系统处于稳定的真空状态下，真空腔体内稳态平均真空度均在10⁻³ Pa量级，长期稳定运行无故障。

常温下真空度达到设定指标后，即可通入低温流体进行降温。图10为2 K稳定降温模式下的低温传输线及阀箱等低温下的真空度曲线，从图中可以看出，当1 kW@2 K低温系统测试平台处于稳定的2 K状态点降温时，由于降温过程速率控制的变化等因素影响，低温传输线只出现了轻微的正常压力波动，整体上低温下平均真空度可达10⁻⁴ Pa量级，且实际过程可长时间稳定维持，满足了低温下测试运行的指标要求。故SHINE测试站真空系统的性能既达到了降温需求，又优于设计目标。

本文对低温传输线真空系统的设计过程进行了详细的介绍，包括以下内容：

（1）通过对真空关键设备的选型设计，合理的选择和布置阀箱及低温传输线上的真空系统，构建了一套高性能及高可靠的真空系统，具备快速真空获得、精确真空测量等功能，能够使得低温阀箱真空室长期稳定的保持在要求的真空水平。

（2）真空系统长期运行可靠，室温稳态与低温稳态真空度运行指标均达到或优于项目要求，各真空非标设备、真空获得及测量设备等历经多次降温实验测试，稳定可靠无故障，表明SHINE测试站低温真空系统的设计制造、安装调试等工作是成功的，也为即将开工建设的SHINE低温真空系统积累宝贵经验。