4. 真空系统搭建：前级泵与分子泵选型、真空管路连接、检漏操作流程
真空系统，说白了就是量子芯片的「家」。芯片要在里面待着，环境必须干净、稳定。我见过不少团队，量子比特设计得挺好，结果真空没做好， coherence time 直接腰斩。嗯，这章咱们就把真空系统怎么搭，掰开揉碎了讲清楚。
4.1 前级泵与分子泵选型
真空系统通常分两级：前级泵先把粗真空抽到 1 Pa 左右，然后分子泵接力，把真空度推到 10⁻⁴ Pa 甚至更高。这两台泵，缺一不可。
4.1.1 前级泵怎么选？
前级泵最常见的是干泵（干式涡旋泵）和油泵。我个人习惯用干泵，原因很简单——没有油蒸汽污染。量子芯片对污染极其敏感，油分子一旦吸附到芯片表面，退相干时间直接崩掉。
选型时主要看两个参数：
- 抽速：一般 10-20 m³/h 就够用，腔体不大可以选小一点
- 极限真空：至少能到 1 Pa，否则分子泵没法启动
我的经验： 前级泵的抽速不要选得太小。我在项目中遇到过，有人为了省钱选了个 6 m³/h 的泵，结果抽了半小时还在 10 Pa 晃悠，分子泵死活启动不了。后来换了 15 m³/h 的，三分钟就到 1 Pa 了。
4.1.2 分子泵怎么选？
分子泵是真空系统的核心。它靠高速旋转的叶片把气体分子「打」出去。选型时注意三点：
- 抽速：根据腔体体积来。我常用的经验公式是：抽速 (L/s) ≈ 腔体体积 (L) × 0.5。比如 50 L 的腔体，选 25 L/s 左右的分子泵就行。
- 压缩比：对氢气、氦气这些轻气体，压缩比要特别关注。量子实验中常用氦气做交换气体，压缩比不够的话，氦气抽不干净。
- 轴承类型：磁悬浮轴承比机械轴承贵，但寿命长、振动小。如果预算允许，我建议上磁悬浮的。
注意： 分子泵绝对不能在大气压下启动！必须先让前级泵把真空度抽到 1 Pa 以下，才能开分子泵。我曾经见过有人忘了开前级泵直接启动分子泵，叶片直接打坏，几万块就没了。
4.2 真空管路连接
管路连接看着简单，其实坑很多。连接不好，漏率直接超标，真空度怎么都上不去。
4.2.1 管路材质选择
我推荐用 304 或 316 不锈钢管。铜管虽然便宜，但容易氧化，而且对某些气体有吸附。不锈钢管表面光滑，放气率低，是量子真空系统的标准配置。
4.2.2 连接方式
常用的连接方式有两种：
| 连接方式 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| CF 法兰（金属密封） | 超高真空（10⁻⁵ Pa 以下） | 漏率极低，可烘烤 | 安装麻烦，成本高 |
| KF 法兰（橡胶密封） | 高真空（10⁻³ Pa 左右） | 安装方便，成本低 | 不可烘烤，漏率稍高 |
我个人习惯：分子泵到腔体之间用 CF 法兰，前级泵到分子泵之间用 KF 法兰。这样既保证了关键段的密封性，又降低了成本。
4.2.3 管路布局要点
- 越短越好：管路越长，流阻越大，有效抽速越低。我见过有人为了美观绕了一大圈，结果抽速损失了 30%。
- 避免直角弯：用 45° 弯头或者大半径弯管代替直角弯，减少流阻。
- 加装波纹管：分子泵工作时会有振动，加一段波纹管可以减振，保护腔体。
避坑指南： 我曾经在连接时没注意法兰的朝向，结果装好后发现扳手伸不进去，螺丝拧不紧。后来只能拆了重装，多花了两小时。所以，安装前一定要先比划一下，确认所有螺丝位置都能操作。
4.3 检漏操作流程
管路接好了，不代表不漏。检漏是真空系统搭建中最关键的一步。我常说：不检漏的系统，就是定时炸弹。
4.3.1 检漏方法选择
常用的检漏方法有两种：
- 氦质谱检漏：最灵敏的方法，可检测 10⁻¹² Pa·m³/s 级别的漏率。用氦气喷在可疑位置，检漏仪会显示漏率。
- 保压法：把系统抽到一定真空度后关闭阀门，观察压力上升速度。简单但灵敏度低。
我建议：先用保压法粗检，再用氦质谱精确定位。这样效率最高。
4.3.2 氦质谱检漏步骤
具体操作流程如下：
- 系统抽真空：先启动前级泵和分子泵，把系统抽到 10⁻³ Pa 以上。
- 连接检漏仪：将检漏仪通过一个阀门连接到系统上。注意，检漏仪入口压力不能太高，一般要求低于 10⁻² Pa。
- 喷氦法检漏：用喷枪对准每个法兰接口、阀门、焊缝等可疑位置，缓慢喷氦气。观察检漏仪读数变化。
- 记录漏率：如果读数突然上升，说明该位置有漏。记录漏率值，一般要求小于 10⁻¹⁰ Pa·m³/s。
- 修复后复检：拧紧螺丝或更换密封圈后，再次检漏，确认漏率达标。
小技巧： 喷氦气时，不要对着一个位置猛喷。我习惯从下往上扫，因为氦气比空气轻，从下往上扫更容易发现漏点。另外，喷枪离接口 5-10 cm 效果最好。
4.3.3 常见漏点及处理
- 法兰密封圈：最常见。检查密封圈是否放正，有没有划痕。我遇到过密封圈上沾了一根头发丝，结果漏率一直下不去。
- 焊缝：焊接质量不好会导致微漏。这种情况只能重新焊接。
- 阀门：阀门密封面磨损或 O 圈老化。更换 O 圈或整个阀门。
警告： 检漏时一定要戴手套！手上的油脂和汗液会污染密封圈，导致新的漏点。我曾经犯过这个错，检漏检了半天找不到漏，最后发现是手印惹的祸。
4.4 真空系统搭建知识体系
下面这张图总结了本章的核心逻辑，帮你快速理清思路：
真空系统搭建，说白了就是三个字：选、接、检。选对泵，接好管，检好漏，系统就能稳定运行。我见过太多人在这三步上栽跟头，希望你能一次搞定。