真空系统作为EBIT装置的重要组成部分，其设计要满足以下几点要求：（1）性能稳定可靠且故障率低，以确保真空系统能够实现长时间的稳定运行。（2）能够实现EBIT装置阱区达到10⁻⁸ Pa量级的超高真空状态，以保证电子束和目标离子相互碰撞时的稳定性和精确性。（3）优化系统的整体布局，系统要留有一定的接口和余地，合理安排装置各窗口方便后期对系统进行改造升级^[11]。

基于以上原则，中能段EBIT真空系统由多个相对独立的真空室构成，真空系统总体布局如图1所示，真空系统主要包括四个部分：第一部分是电子束离子阱主体所在的内真空室。第二部分是制冷机冷头和超导磁体所在的外真空室。内外真空室之间通过圆形隔板进行真空隔绝，内外真空相互独立。此外还有差分微量气体注入系统真空单元以及各诊断系统构成的真空单元，以便于从X射线到可见光波段杂质谱线的观测。系统通过在圆形隔板上开设了多个观测窗口与外部各光谱仪平台以及差分微量气体注入系统进行连接，实现杂质元素的注入以及光谱观察，并通过真空阀门与内真空室进行隔绝。

由于离子泵工作时会产生干扰磁场，这个干扰磁场会影响紧凑型EBIT本身磁场，所以在本系统中未使用离子泵。为了获得所需的超高真空环境，参照上海SH-PermEBIT和SH-HtscEBIT超高真空腔体的设计经验^[12]，本系统采用两套复合分子泵组对内真空腔室进行抽气，选择的是抽速为650 L·S⁻¹国产的久泰JTFB-650ZF脂润滑复合分子泵，对于超导磁体所在的外真空室用一套分子泵机组即可满足要求，并通过6组普发PKR361全量程真空规管测量各点的真空度，测量范围10⁻⁷ ~ 10⁵ Pa。由于内真空室中心阱区的测量规管是安装在观测窗口上的，所以实际上规管测量处的真空度要比中心阱区低，当规管测得真空为10⁻⁷ Pa时，中心阱区极限真空可达10⁻⁸ Pa量级，事实上当真空度高于4×10⁻⁷ Pa时就达到了产生高电荷态离子的实验条件^[13]。中能段EBIT系统配备的弯晶谱仪（XCS）、极紫外光谱仪（EUV spectrometer）、真空紫外光谱仪（VUV spectrometer）和可见光光谱仪（Visible light spectrometer）的观测波段分别覆盖0.2~0.4 nm、1~50 nm、30~360 nm和300~700 nm。中能段EBIT真空系统的各真空设备和数量如表1所示。

为了保障中能段EBIT系统的正常运行，真空控制系统需要满足以下要求：（1）实现对中能段EBIT装置各点真空度的实时监测与显示，并且能够实时保存装置运行过程中的真空数据，以便实验人员后期进行故障排查和处理。（2）实现对各真空设备的远程控制，包括启动停止分子泵和机械泵以及各个真空阀门的开合控制。（3）实现系统联锁开发，当真空系统出现故障或误操作导致真空度低于正常工作范围时，系统能够发出报警信号并迅速自动关闭各真空阀门和分子泵，最大限度降低突发故障带来的不良后果，保护实验人员和设备的安全^[14]。（4）实现对超导磁体温度的监控，由于超导磁体对温度变化十分敏感，当温度超过超导的临界温度磁体会失超，所以有必要在实验过程中监控超导磁体温度变化情况。

中能段EBIT真空控制系统实现了装置各真空单元真空集成控制与实时检测，根据不同的实验需求控制相应的真空阀门和真空泵组动作，同时要进行联锁开发实现装置安全联锁功能。为了实现可靠的数据传输，本系统采用RS485总线结构。RS485总线结构是一种串行通信总线，它包含一个主设备和最多128个从设备，数据通过总线在节点之间传输，不同节点之间通过不同的地址进行区分，通讯数据可以被所有节点共享，达到快速传输的目的。RS485总线结构在工业环境中具有很高的鲁棒性，能够抵抗电磁干扰、噪声等问题。同时，它的通信距离可以长达数千米，具有广阔的应用范围^[15-16]。

控制系统的结构如图2所示，由一台工控机（IPC）作为主设备通过485总线来控制其他真空设备，同时对超导磁体的温度进行实时监测，为了了解系统温度变化情况，本研究用了5路传感器分别监测冷屏、磁体上下端以及电流引线上下端的温度，制冷机一级冷头和冷屏直接连接，二级冷头通过导冷结构与磁体连接,超导磁体系统结构示意图如图3所示。由于温度传感器只提供了RS232通讯接口，所以温度传感器通过串口线直接和IPC通信。

真空获得设备主要包括3台复合分子泵和3台机械泵，每台分子泵拥有独立的电源控制器（CMP controller），提供了RS485通讯接口，机械泵没有独立的控制器，本文采用带有RS485通讯接口的继电器控制器（Relay controller）进行控制，此外为了方便对真空阀门进行控制以及实现真空系统的联锁开发，真空阀门也通过继电器控制器进行控制。将所有的真空设备的控制器挂载到RS485总线上，并给每个节点分配唯一的地址，IPC经过RS485/232转换器（RS485/RS232 converter）即可通过地址号对指定的真空设备进行远程控制，设备间通讯协议采用Modbus协议。

真空测量设备主要由6只复合真空规管和控制器（Gauge controllers）组成。真空规管通过电缆与控制器连接，真空规管实时检测各点真空并把测得的数据发送给控制器，控制器通过RS485通讯接口挂载在RS485总线上，当IPC通过总线向控制器发送读取真空的指令时，控制器通过总线把系统真空值发送给IPC，IPC通过上位机程序对真空数据进行处理，如此便实现了系统真空度的读取。

系统软件部分采用Python编程语言进行编写。PyQt是Python编程语言的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）开发工具包，使用Qt软件库来实现。它可以帮助开发人员使用Python语言来轻松创建桌面应用程序，由于Qt本身已经是一个跨平台的GUI工具包，因此使用PyQt也可以方便地实现跨平台的应用程序开发^[17]。

本系统的操作界面使用PyQt工具包进行创建，具体流程包括以下两个步骤：首先利用Qt Designer或PyQt自带的Qt Creator设计UI界面，将所需的部件布置到主窗口上，例如按钮、标签、文本框等，并设置其属性和布局。其次是编写主程序，在主程序中编写完整的业务逻辑代码实现真空数据读取与显示，开关分子泵和真空阀以及系统联锁保护等功能。

信号与槽机制（Signal and Slot）是Qt框架中一种常见的事件处理机制，通过信号和槽实现组件之间的通信，当一个对象发出信号时，槽函数会自动被执行，完成相关操作。在这种机制下，可以方便的完成开关分子泵和真空阀门的操作，例如把点击分子泵的启动按钮作为一个信号发送出去，那么与之关联的槽函数将会被自动的调用，所以只需要在槽函数中编写启动分子泵的业务逻辑代码，当点击启动按钮时系统就会自动完成启动分子泵的操作。这种机制使应用程序中各个部分之间可以解耦合，从而实现更加灵活、高效、可维护的代码的设计^[18]。

系统软件的主程序工作流程如图4所示。利用Python的多线程技术同时读取各点真空度以及磁体温度值，从而提高程序的效率和并发性。通过串口向真空设备发送读取数据的指令，然后比较回读的真空度是否低于正常工作范围，如果低于正常范围则采取必要的联锁措施，发出报警信号并关闭所有的真空阀门和分子泵。同时系统还考虑了采样时间的设定，利用Python的定时器功能绑定数据保存事件，只有当定时器溢出的时候才把数据保存为文件，这样方便实验人员灵活选取采样时间。

系统的数据采集和显示界面如图5所示。它的主要功能包括：

（1）真空设备的远程控制。当启动主程序打开系统界面之后，就可以点击启动停止按钮来远程控制真空泵组和真空阀门的开启和关闭。

（2）真空数据和温度数据实时采集和显示。开启多线程持续向各真空规管和温度传感器访问数据，各线程之间相互独立，互不干扰，能同时获取多路真空数据和温度数据并实时显示在窗口界面上，在右下角同时显示内真空腔室和注气系统的真空曲线，能够更加直观的掌握真空的变化趋势，当通过差分气体注入系统向阱区注入Ar、Kr、Xe等稀有气体时，通过观察系统真空的实时变化可以估算出注入的气体量，方便通过调节注气阀门以控制目标气体的注入量。

（3）自动保存数据并生成历史曲线。为了了解整轮实验或者某一段时间内真空的整体变化趋势，或者在系统故障时为实验人员提供分析依据，系统还应自动把真空数据保存到文件里面并存储在指定的系统目录下面，生成历史曲线，形象直观的反映出系统运行的历史趋势。

（4）实现系统安全联锁。系统界面上的指示灯会以不同颜色实时显示各个真空阀门和真空泵的工作状态，能更加直观地掌握各真空设备的运行状态，同时可以通过设定真空阈值，当真空度低于真空阈值时产生报警信号，并关闭各真空阀门和分子泵，保护装置和实验人员的安全。

根据系统的布局完成中能段EBIT真空系统的安装，连接好各设备的电源电缆线并挂载到RS485总线网络上，由IPC作为主设备，其余的真空设备作为从设备，为每个设备分配唯一的地址，开始进行测试。真空系统测试平台如图6所示。

首先打开真空控制系统操作界面，先后打开机械泵和真空阀门，从真空实时显示界面可以看到系统的真空慢慢降低，当真空显示界面显示真空度优于1 Pa时，点击分子泵启动按钮打开各分子泵对中能段EBIT真空系统进行抽气，系统真空迅速下降。经过大约5天的抽真空时间，系统的真空度达到7.6×10⁻⁶ Pa，设定系统真空联锁阈值为1×10⁻⁴ Pa，打开微量气体注入系统的阀门向离子阱区注入少量Ar，观测到系统真空迅速上升，图7表示的是注入Ar前后一段时间内真空的变化趋势。

图8表示的是系统内真空超过真空阈值时系统变化情况，如图可知当持续向离子阱区注入Ar，当系统真空度低于1×10⁻⁴ Pa时，联锁系统触发关闭了所有的真空阀门和分子泵，真空控制界面上的真空指示灯亮红灯，提醒实验人员真空出现异常。整个测试过程中磁体的温度变化趋势如图9所示。制冷机开机以后经过20个小时制冷，磁体温度降到6.5 K并保持稳定，超导的临界温度为9 K，说明磁体已进入并可以保持超导状态。

为了实现中能段EBIT实验平台各真空单元真空度地实时监测与控制，为中能段EBIT装置营造稳定可靠的超高真空的实验环境，本文基于RS485总线结构和Python编程语言设计的中能段EBIT真空控制系统，实现了各单元真空数据的实时采集显示，真空设备的远程控制和系统真空联锁保护功能。系统采用集成控制方式方便对多个真空设备的监控和管理，极大地改善了系统工作效率，提高了数据的可靠性。经过系统测试，真空系统可以长期稳定的运行，磁体温度和各测量点的真空均满足实验要求，系统具有完备的联锁保护功能，可以保障人员和设备的安全，缩短了故障恢复时间，提高了工作效率，增强了整套系统的可靠性。在测试及实验过程中，真空获得设备和真空测量设备均稳定可靠无故障，这表明真空控制系统能够长时间稳定工作。