量子計算機低溫制冷系統(tǒng)運行維護管理標準一、范圍與術(shù)語定義本標準規(guī)定了量子計算機低溫制冷系統(tǒng)（以下簡稱“制冷系統(tǒng)”）從日常監(jiān)控、預(yù)防性維護、故障處理到安全管理的全流程操作規(guī)范，適用于以稀釋制冷機為核心、配套氦氣回收系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的超導量子計算機制冷平臺。（一）關(guān)鍵術(shù)語定義稀釋制冷機：通過3He/?He混合液稀釋過程實現(xiàn)毫開爾文（mK）級低溫的核心設(shè)備，是超導量子比特穩(wěn)定運行的“低溫環(huán)境基石”。預(yù)冷級聯(lián)：制冷系統(tǒng)的多級降溫結(jié)構(gòu)，通常包括脈沖管制冷機（4K級）、1Kpot（1K級）、**混合室（mK級）**三個核心溫區(qū)，各級通過熱交換實現(xiàn)逐級降溫。氦氣回收系統(tǒng)：對制冷過程中揮發(fā)的氦氣進行純化、壓縮和存儲的輔助系統(tǒng)，直接影響制冷效率與運行成本。熱負載：量子芯片、線纜及真空腔壁向低溫區(qū)傳遞的熱量總和，是衡量制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心指標。二、日常運行監(jiān)控規(guī)范制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運行依賴7×24小時連續(xù)監(jiān)控，需建立“分級預(yù)警+異常響應(yīng)”機制，確保溫區(qū)、壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)處于安全閾值內(nèi)。（一）核心監(jiān)控參數(shù)與閾值監(jiān)控對象關(guān)鍵參數(shù)正常閾值范圍預(yù)警閾值緊急停機閾值稀釋制冷機混合室溫度（T_mix）10-30mK>40mK或<8mK>50mK或<5mK1Kpot溫度0.8-1.2K>1.5K或<0.6K>2.0K或<0.5K4K冷板溫度3.8-4.2K>4.5K或<3.5K>5.0K或<3.0K氦氣系統(tǒng)液氦杜瓦液位30%-80%<25%或>85%<20%或>90%氦氣回收壓力0.8-1.2MPa>1.5MPa或<0.5MPa>1.8MPa或<0.3MPa真空系統(tǒng)低溫腔真空度<1×10??Pa>5×10??Pa>1×10??Pa預(yù)冷級真空度<1×10??Pa>5×10??Pa>1×10??Pa控制系統(tǒng)壓縮機電流額定值的±10%±20%±30%冷卻水流量設(shè)計值的±5%±10%±15%（二）監(jiān)控流程與記錄要求實時監(jiān)控：通過制冷系統(tǒng)上位機軟件（如BlueforsLabView界面）每15分鐘手動記錄一次核心參數(shù)，或設(shè)置系統(tǒng)自動生成每小時數(shù)據(jù)報表。異常響應(yīng)：當參數(shù)觸發(fā)預(yù)警閾值時，需立即啟動“三級排查”：一級排查：檢查上位機軟件是否存在數(shù)據(jù)傳輸故障（如重啟通信模塊）。二級排查：現(xiàn)場確認設(shè)備狀態(tài)（如冷水機是否斷水、氦氣杜瓦是否泄漏）。三級排查：聯(lián)系設(shè)備廠商工程師遠程診斷（如觸發(fā)緊急閾值需立即停機）。數(shù)據(jù)存檔：所有監(jiān)控數(shù)據(jù)需以“日期+設(shè)備編號”命名，存儲在專用服務(wù)器中，存檔周期不低于3年，便于故障溯源與性能分析。三、預(yù)防性維護計劃預(yù)防性維護是降低制冷系統(tǒng)故障率的核心手段，需嚴格按照日、周、月、季度、年度周期執(zhí)行，避免因“小故障積累”導致停機。（一）日常維護（每日）清潔與檢查：清理制冷機表面及周圍環(huán)境的灰塵，檢查設(shè)備外殼是否有過熱（如壓縮機外殼溫度>60℃需警惕）。氦氣系統(tǒng)檢查：確認氦氣回收系統(tǒng)的純化器指示燈是否正常（如變色需更換濾芯），檢查杜瓦瓶閥門是否處于“微開”狀態(tài)（避免壓力驟變）。冷卻水系統(tǒng)：檢查冷水機的水位是否在“高位-低位”刻度之間，確認水溫（通?？刂圃?0-25℃）與水壓（0.3-0.5MPa）穩(wěn)定。（二）周維護（每周）真空系統(tǒng)維護：檢查低溫腔真空計讀數(shù)是否穩(wěn)定，若出現(xiàn)“緩慢上升”（如每日上升>1×10??Pa），需排查真空密封法蘭是否松動。對分子泵進行“狀態(tài)確認”：聽運轉(zhuǎn)聲音是否均勻（異常噪音可能是軸承磨損），檢查泵體溫度是否<70℃。氦氣回收系統(tǒng)：手動啟動一次氦氣純化循環(huán)，記錄純化前后的氦氣純度（需≥99.999%）。檢查回收系統(tǒng)的過濾器壓差（如壓差>0.1MPa需更換濾芯）。（三）月維護（每月）制冷機內(nèi)部檢查：對脈沖管制冷機的蓄冷器進行性能測試：通過關(guān)閉預(yù)冷級閥門10分鐘，觀察4K冷板溫度上升速率（正常<0.5K/min），若速率過快需更換蓄冷材料。檢查3He/?He混合液的液位：通過上位機軟件的“液位校準功能”確認混合室液位是否在設(shè)計值的±5%以內(nèi)，若不足需補充3He（補充量需嚴格按照廠商手冊）。電氣系統(tǒng)檢查：用萬用表測量壓縮機的三相電壓（需穩(wěn)定在380V±10%），檢查電纜接頭是否有松動或氧化。測試應(yīng)急停機按鈕（E-Stop）是否有效：按下按鈕后，制冷系統(tǒng)應(yīng)在5秒內(nèi)完全斷電。（四）季度維護（每季度）真空系統(tǒng)深度維護：對低溫腔進行**bake-out（烘烤除氣）**：將腔壁加熱至150℃并保持24小時，去除腔體內(nèi)的水蒸氣與雜質(zhì)氣體，降低熱負載。更換分子泵的潤滑油（如采用油潤滑分子泵），或清潔干泵的過濾袋。熱負載測試：關(guān)閉量子芯片的控制線纜（模擬無負載狀態(tài)），記錄混合室溫度的下降幅度（正常應(yīng)下降5-10mK），若下降不足則說明腔壁存在“虛漏熱”（需重新密封法蘭）。（五）年度維護（每年）核心部件更換：更換稀釋制冷機的熱交換器（如銅制微通道換熱器），避免因腐蝕導致熱交換效率下降。更換氦氣回收系統(tǒng)的吸附器（如活性炭吸附器），確保氦氣純度。全面性能校準：聯(lián)系設(shè)備廠商工程師對制冷系統(tǒng)進行全溫區(qū)校準：使用標準溫度計（如鍺電阻溫度計）重新標定各溫區(qū)的溫度傳感器，確保讀數(shù)誤差<±0.5mK。進行“滿負載測試”：將量子芯片加載至最大數(shù)量（如512比特），連續(xù)運行72小時，記錄混合室溫度的波動范圍（正常應(yīng)<±2mK）。四、常見故障診斷與處理制冷系統(tǒng)故障需遵循“先定位、后處理”的原則，避免盲目操作導致二次損壞。以下為典型故障的診斷流程：（一）混合室溫度異常升高（>40mK）故障定位：第一步：檢查熱負載是否增加（如量子芯片是否發(fā)熱、線纜是否短路）。第二步：確認3He/?He混合液是否不足（通過液位傳感器讀數(shù)判斷）。第三步：排查預(yù)冷級聯(lián)是否失效（如1Kpot溫度是否>1.5K）。處理措施：若熱負載增加：關(guān)閉量子芯片電源，待溫度恢復后檢查芯片封裝是否破損。若混合液不足：按照廠商手冊補充3He（補充時需關(guān)閉預(yù)冷級，避免氦氣泄漏）。若預(yù)冷級失效：重啟脈沖管制冷機，若仍無效則更換蓄冷器。（二）氦氣回收系統(tǒng)壓力驟降故障定位：第一步：檢查氦氣杜瓦的閥門是否被誤關(guān)（現(xiàn)場確認閥門手柄位置）。第二步：使用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測管道接頭（重點檢查純化器與回收罐的連接法蘭）。第三步：確認回收系統(tǒng)的壓縮機是否停機（如過載保護觸發(fā)）。處理措施：若閥門誤關(guān)：緩慢打開閥門（避免壓力驟升損壞管道）。若管道泄漏：立即停機，對泄漏點進行氬弧焊補漏，補漏后需重新進行真空測試。若壓縮機過載：檢查壓縮機的散熱風扇是否正常，清除濾網(wǎng)灰塵后重啟。（三）真空度持續(xù)惡化（>1×10??Pa）故障定位：第一步：檢查真空腔的O型密封圈是否老化（如氟橡膠密封圈使用超過2年需更換）。第二步：確認分子泵是否正常運轉(zhuǎn)（如轉(zhuǎn)速是否達到設(shè)計值的95%以上）。第三步：排查是否存在“內(nèi)部泄漏”（如量子芯片的封裝管是否破裂）。處理措施：若密封圈老化：更換密封圈時需涂抹真空硅脂（如DowCorning799），確保密封面無雜質(zhì)。若分子泵故障：更換分子泵的電機或軸承，重新啟動后需進行24小時真空烘烤。若內(nèi)部泄漏：取出量子芯片，檢查封裝管是否有裂紋，必要時更換芯片封裝。四、安全管理規(guī)范制冷系統(tǒng)涉及高壓氦氣、低溫液體（液氦溫度-269℃）及高功率電氣設(shè)備，需建立嚴格的安全操作流程，避免人身傷害與設(shè)備損壞。（一）人員安全防護個人防護裝備（PPE）：所有進入制冷系統(tǒng)機房的人員必須穿戴：低溫防護手套（如液氮專用手套，避免直接接觸液氦）。安全眼鏡（防止氦氣泄漏導致的“噴濺傷”）。防靜電服（避免靜電干擾量子芯片）。禁止行為：嚴禁在機房內(nèi)飲用、進食（防止氦氣泄漏導致窒息）。嚴禁用手直接觸摸制冷機的低溫部件（如4K冷板，可能導致皮膚凍傷）。嚴禁在未關(guān)閉氦氣閥門的情況下進行管道拆卸。（二）設(shè)備安全操作氦氣操作規(guī)范：補充液氦時，需將杜瓦瓶放置在通風良好的區(qū)域（氦氣密度比空氣小，泄漏后會積聚在天花板，需開啟頂部排風扇）。氦氣管道的壓力不得超過設(shè)計值的120%（如設(shè)計壓力1.5MPa，最大壓力不得超過1.8MPa）。應(yīng)急停機操作：當出現(xiàn)以下情況時，需立即按下E-Stop按鈕：制冷系統(tǒng)發(fā)生氦氣大量泄漏（如聽到尖銳的泄漏聲）。冷卻水完全中斷（如冷水機故障）。火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害。（三）應(yīng)急預(yù)案與演練氦氣泄漏應(yīng)急處理：立即按下E-Stop停機，關(guān)閉氦氣杜瓦的總閥門。開啟機房的強制排風系統(tǒng)（排風量需≥10次/小時），人員撤離至室外。待泄漏停止后，使用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測泄漏點，確認安全后再進入機房。凍傷應(yīng)急處理：若皮膚接觸低溫部件導致凍傷，需立即用**溫水（37-40℃）**沖洗凍傷部位，嚴禁使用熱水或火烤。及時送醫(yī)治療，并告知醫(yī)生凍傷原因是“液氦接觸”。演練要求：每季度需組織一次“氦氣泄漏+應(yīng)急停機”聯(lián)合演練，確保所有運維人員熟悉流程，演練記錄需存檔備查。五、維護人員資質(zhì)與培訓制冷系統(tǒng)運維人員需具備專業(yè)知識與操作技能，避免因“誤操作”導致設(shè)備損壞。（一）資質(zhì)要求基礎(chǔ)資質(zhì)：需持有低壓電工證（制冷系統(tǒng)涉及380V高壓電）與特種設(shè)備作業(yè)人員證（壓力容器操作）（氦氣杜瓦屬于壓力容器）。專業(yè)知識：需掌握低溫物理基礎(chǔ)（如稀釋制冷原理）、真空技術(shù)（如分子泵工作原理）及量子計算機基本結(jié)構(gòu)。（二）培訓計劃新員工培訓：理論培訓（2周）：學習制冷系統(tǒng)原理、本標準及廠商手冊。實操培訓（4周）：在資深工程師指導下完成“日常監(jiān)控”“周維護”等基礎(chǔ)操作。考核認證：通過“理論考試+實操考核”后，方可獨立上崗。定期培訓：每半年組織一次廠商技術(shù)培訓（如Bluefors或OxfordInstruments的工程師現(xiàn)場授課），學習最新維護技術(shù)。每年組織一次“故障案例分析會”，分享過去一年的故障處理經(jīng)驗，優(yōu)化維護流程。六、設(shè)備檔案管理建立完整的設(shè)備檔案是運維工作的基礎(chǔ)，需包含以下內(nèi)容：設(shè)備基礎(chǔ)信息：設(shè)備型號、序列號、購買日期、安裝日期、廠商聯(lián)系方式。技術(shù)文檔：設(shè)備手冊、電路圖、管路圖、安裝驗收報告。維護記錄：所有預(yù)防性維護與故障處理的記錄（包括日期、操作人員、操作內(nèi)容、更換部件型號）。性能曲線：制冷系統(tǒng)的“溫區(qū)-時間”曲線、“氦氣消耗-負載”曲線等，用于評估設(shè)備老化程度。檔案需由專人負責管理，存放于“防潮、防火、防盜”的檔案柜中，電子版檔案需定期備份（至少每