BEPCII儲(chǔ)存環(huán)的預(yù)準(zhǔn)直

王小龍 董 嵐 李 波 門玲鴒 羅 濤

(中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049)

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)建成于 1988年，運(yùn)行十多年后于2004年拆除，開始BEPCII的建設(shè)工作。BEPCII分為直線加速器、輸運(yùn)線和儲(chǔ)存環(huán)加速器三部分(圖1)。儲(chǔ)存環(huán)加速器由正電子環(huán)和負(fù)電子環(huán)構(gòu)成，兩環(huán)周長均為237.53 m，建于原BEPC儲(chǔ)存環(huán)隧道中，需完成拆除舊加速器、地面改造、水電安裝、墻壁修整及新設(shè)備安裝等工作。經(jīng)研究決定，將構(gòu)成BEPCII儲(chǔ)存環(huán)主體的84個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的安裝準(zhǔn)直工作抽取出來，成立預(yù)準(zhǔn)直工程小組，負(fù)責(zé)磁鐵標(biāo)定和標(biāo)準(zhǔn)單元的安裝準(zhǔn)直工作。每完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的安裝準(zhǔn)直后運(yùn)送到隧道參加儲(chǔ)存環(huán)加速器的安裝和整體準(zhǔn)直工作，這可極大地提高工作效率。

圖1 BEPCII總體布局Fig.1 General layout of BEPCII.

1 BEPCII預(yù)準(zhǔn)直工程精度要求

BEPCII預(yù)準(zhǔn)直工程從2005年8月1日開始至2006年7月27日結(jié)束，期間完成了84個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的安裝、準(zhǔn)直和90多塊各類零散磁鐵的標(biāo)定工作。

由于加速器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加速器的安裝測(cè)量須分成多個(gè)步驟依次進(jìn)行。為確保加速器各設(shè)備的最終定位誤差滿足物理設(shè)計(jì)要求，我們仔細(xì)分析了每一步驟的誤差源，給定了合理的步驟限差[1]。預(yù)準(zhǔn)直工程涉及到的準(zhǔn)直精度要求見表1。

為達(dá)上述準(zhǔn)直精度要求，須精心制定磁鐵標(biāo)定方案、磁鐵調(diào)整方案和磁鐵固定方案，還要盡量減小溫度變化和運(yùn)輸?shù)纫蛩貛淼拇盆F位置精度損失。

2 磁鐵標(biāo)定方案

標(biāo)準(zhǔn)單元安裝、準(zhǔn)直時(shí)首先要做磁鐵標(biāo)定，即建立磁鐵外部準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)與磁鐵幾何中心的空間位置關(guān)系，從而保證在安裝、準(zhǔn)直時(shí)能利用準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)把磁鐵調(diào)整到目標(biāo)位置[2]。

為方便隧道準(zhǔn)直測(cè)量，我們把準(zhǔn)直基準(zhǔn)座焊在磁鐵頂部(圖2)。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元包括二極磁鐵、四極磁鐵、六極磁鐵和校正磁鐵，我們使用標(biāo)準(zhǔn)單元的支架作為磁鐵標(biāo)定平臺(tái)。用千斤頂將單元支架支起，通過調(diào)節(jié)千斤頂調(diào)平支架上的磁鐵。本文主要介紹二極磁鐵和四極磁鐵的標(biāo)定方案。

表1 磁鐵標(biāo)定和標(biāo)準(zhǔn)單元主要設(shè)備預(yù)準(zhǔn)直的精度要求Table 1 Tolerance requirements on the magnet fiducialization and some of major devices in the cell.

圖2 磁鐵準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)Fig.2 Fiducial points on a magnet.

2.1 二極磁鐵標(biāo)定方案

二極磁鐵標(biāo)定儀器為激光跟蹤儀、水準(zhǔn)儀和電子水平儀。二極磁鐵的標(biāo)定目標(biāo)是在二極磁鐵上下極面間的中心位置建立一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，得到磁鐵頂面四個(gè)準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值，以及在磁鐵下極面水平時(shí)磁鐵頂面基準(zhǔn)平面的傾角值。

建立二極磁鐵的空間直角坐標(biāo)系，需測(cè)量二極磁鐵的外部基準(zhǔn)面。我們選用二極磁鐵的下極面、前端面和側(cè)端面作為基準(zhǔn)面，使用激光跟蹤儀測(cè)量。具體做法是：測(cè)量磁鐵下極面上八個(gè)點(diǎn)，這八個(gè)點(diǎn)要全面覆蓋整個(gè)下極面，充分反映下極面的形狀，擬合得到平面T-PLANE。測(cè)量磁鐵前端面四個(gè)點(diǎn)，擬合得到平面F-PLANE。測(cè)量磁鐵側(cè)端面四個(gè)點(diǎn)，擬合得到平面E-PLANE。以T-PLANE、E-PLANE和F-PLANE三平面的交點(diǎn)建立點(diǎn)O1。以T-PLANE和F-PLANE平面的交線建立直線Z1。以O(shè)1點(diǎn)為原點(diǎn)，T-PLANE的法線為Y軸，直線Z1為Z軸建立坐標(biāo)系B1(圖3)。根據(jù)二極磁鐵的機(jī)械尺寸確定平移量，把 B1坐標(biāo)系平移到磁鐵上下極面間的中心位置，得到 B2坐標(biāo)系即二極磁鐵標(biāo)定所需的磁鐵坐標(biāo)系。在坐標(biāo)系 B2下測(cè)量磁鐵頂面四個(gè)準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)則得到二極磁鐵的標(biāo)定值。

磁鐵的下極面寬度(240 mm)相對(duì)于磁鐵寬度(612 mm)過于狹窄，下極面測(cè)量誤差稍大就會(huì)造成極大的標(biāo)定誤差。我們使用水準(zhǔn)儀輔助跟蹤儀測(cè)量磁鐵下極面。首先用水準(zhǔn)儀和工裝調(diào)平磁鐵下極面，然后跟蹤儀測(cè)量水平面建立一個(gè)水平坐標(biāo)系，測(cè)量下極面上的八個(gè)點(diǎn)。觀察八個(gè)點(diǎn)中哪些點(diǎn)高程方向的測(cè)量值誤差偏大，需重新測(cè)量，直到八個(gè)點(diǎn)的測(cè)量值基本在同一水平面內(nèi)為合格。

圖3 二極鐵標(biāo)定Fig.3 Fiducialization of a dipole.

2.2 二極磁鐵標(biāo)定精度分析

X向坐標(biāo)標(biāo)定誤差=跟蹤儀橫向坐標(biāo)差測(cè)量誤差0.035 mm，Y向坐標(biāo)標(biāo)定誤差=跟蹤儀高程坐標(biāo)差測(cè)量誤差0.031 mm，Z向坐標(biāo)標(biāo)定誤差=跟蹤儀縱向坐標(biāo)差測(cè)量誤差0.035 mm。

可見使用跟蹤儀標(biāo)定θz誤差太大，需改用其它方法標(biāo)定。我們?cè)诙O磁鐵頂面安裝一塊基準(zhǔn)平板，用水準(zhǔn)儀和工裝調(diào)平二極磁鐵的下極面后，用電子水平儀測(cè)量磁鐵頂面基準(zhǔn)平板的傾角，即磁鐵在水平狀態(tài)下滾動(dòng)角θz的標(biāo)定值。

2.3 四極磁鐵標(biāo)定方案

四極磁鐵標(biāo)定儀器為激光跟蹤儀，四極磁鐵的標(biāo)定目標(biāo)是在四極磁鐵極頭中心位置建立一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，得到磁鐵頂面四個(gè)準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

為找到四極磁鐵Z向的中心軸線，我們制作了標(biāo)定用的軸和軸瓦等工裝(圖4)。將軸和軸瓦架在四極磁鐵下面的兩個(gè)極頭上，標(biāo)定軸的中心軸線與四極磁鐵Z向的中心軸線重合。跟蹤儀測(cè)量標(biāo)定軸的兩端，用這兩點(diǎn)建立磁鐵的中心軸線Z-LINE。測(cè)量磁鐵端面5個(gè)點(diǎn)，擬合得到E-PLANE。測(cè)量四極磁鐵頂面四個(gè)點(diǎn)，擬合得到 T-PLANE。建立Z-LINE和E-PLANE的交點(diǎn)O，以Z-LINE為強(qiáng)制方向作Z軸，以T-PLANE的法線方向?yàn)閅軸，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。根據(jù)四極磁鐵的機(jī)械尺寸沿此坐標(biāo)系的Z軸平移至磁鐵極頭中心位置，得磁鐵坐標(biāo)系。在磁鐵坐標(biāo)系下測(cè)量磁鐵準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)得到磁鐵的標(biāo)定值。

圖4 四極鐵標(biāo)定Fig.4 Fiducialization of a quadrupole.

2.4 四極磁鐵標(biāo)定精度分析

X向坐標(biāo)標(biāo)定誤差0.046 mm, 式中，δgx=0.035 mm為跟蹤儀橫向坐標(biāo)差測(cè)量誤差，δacc=0.015 mm 為芯軸端部錐面同軸度，δtc=0.02 mm為軸瓦同軸度，δatf=0.015 mm為軸、瓦安裝誤差。

Z向坐標(biāo)標(biāo)定誤差=跟蹤儀縱向坐標(biāo)差測(cè)量誤差0.035。

六極磁鐵標(biāo)定方法與四極磁鐵基本相同，只是六極磁鐵的頂部焊有鋼板無法作為測(cè)量基準(zhǔn)，須在磁鐵極頭中間插入大理石平板測(cè)得T-PLANE(圖5)。磁鐵標(biāo)定精度(X,Y,Z)分別為二級(jí)磁鐵0.029、0.027、0.017 mm，四極磁鐵0.012、0.013、0.019 mm，六級(jí)磁鐵0.027、0.023、0.034 mm。

圖5 六極磁鐵標(biāo)定Fig.5 Fiducialization of a sextupole.

3 標(biāo)準(zhǔn)單元安裝準(zhǔn)直方案

圖6為安裝好的標(biāo)準(zhǔn)單元，標(biāo)準(zhǔn)單元的預(yù)準(zhǔn)直工作流程如下：(1) 用千斤頂支撐好支架并調(diào)整支架到水平，(2) 支架上安裝B鐵和共架板，(3) 在共架板上安裝Q、S鐵的位置調(diào)整機(jī)構(gòu)，并用天車把Q、S鐵安放到共架板上對(duì)應(yīng)位置，(4) 標(biāo)定磁鐵，計(jì)算磁鐵在支架上的理論位置，(5) 跟蹤儀測(cè)量磁鐵，粗調(diào)磁鐵使其位置與理論值偏差在0.2 mm以內(nèi)，(6) 安裝真空盒，(7) 精調(diào)磁鐵、真空盒到預(yù)準(zhǔn)直要求的精度范圍，(8) 用激光跟蹤儀全面測(cè)量磁鐵和真空盒上的準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)，生成數(shù)據(jù)文件，作為預(yù)準(zhǔn)直調(diào)整結(jié)果的記錄，(9) 把二極磁鐵和共架板固定到支架上，固定時(shí)用跟蹤儀監(jiān)視磁鐵、真空盒位置的變動(dòng)，變動(dòng)量應(yīng)<0.2 mm。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)單元Fig.6 A standard cell.

標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)備的準(zhǔn)直方案是以二極磁鐵標(biāo)定時(shí)所用的坐標(biāo)系作為整個(gè)單元準(zhǔn)直的坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸方向如圖 7。二極磁鐵安裝就位后不再調(diào)整，在二極磁鐵坐標(biāo)系下對(duì)其余設(shè)備的位置進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)整。這是因?yàn)槎O磁鐵的體積和重量都很大，不適合做精密調(diào)整，而它在Z方向上長度較長，用它定位其它設(shè)備可得到較高的控制精度。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)單元坐標(biāo)系Fig.7 The coordinate system of the cell.

要對(duì)各設(shè)備作準(zhǔn)直調(diào)整需要知道它們位置的理論坐標(biāo)，各設(shè)備準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)的理論位置坐標(biāo)由它們的標(biāo)定值和相對(duì)于二極磁鐵的位置關(guān)系計(jì)算出來的。六極磁鐵和四極磁鐵沿束流軌道相對(duì)于二極磁鐵在水平面方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，則它們的理論值計(jì)算公式為[3]：

其中，XX、YY、ZZ為標(biāo)準(zhǔn)單元坐標(biāo)系下各設(shè)備坐標(biāo)(理論值)，X、Y、Z為各設(shè)備準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定值，LMB為設(shè)備中心到二極磁鐵磁場(chǎng)出口的距離，θB為束流經(jīng)過二極磁鐵的理論偏轉(zhuǎn)角度，XBE為二極磁鐵極頭的中心到磁場(chǎng)出口的X向距離，ZBE為二極磁鐵極頭的中心到磁場(chǎng)出口的Z向距離。

考慮到加速器運(yùn)行時(shí)二極磁鐵通電會(huì)產(chǎn)生變形而導(dǎo)致束流偏轉(zhuǎn)。因此，在預(yù)準(zhǔn)直安裝時(shí)預(yù)先將二極磁鐵相對(duì)于其它設(shè)備偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度(經(jīng)測(cè)量，偏轉(zhuǎn)量為0.04 mrad)。二極磁鐵的理論值為其標(biāo)定值在磁鐵坐標(biāo)系下繞Z軸旋轉(zhuǎn)0.04 mrad后的坐標(biāo)值。

試驗(yàn)表明，溫度對(duì)預(yù)準(zhǔn)直調(diào)整有明顯影響。在磁鐵標(biāo)定和預(yù)準(zhǔn)直安裝過程中采用磁吸式溫度傳感器測(cè)量記錄各設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，從中抽取五組有代表性的磁鐵支架單元的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)和磁鐵位置測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出磁鐵支架單元的線膨脹系數(shù)為1.144×10?5/℃。單元呈長方形，Z向受溫度影響明顯，需用這一系數(shù)對(duì)設(shè)備理論值的Z向坐標(biāo)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。

真空盒準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)在單元中的理論值坐標(biāo)由機(jī)械設(shè)計(jì)人員給出，不需另作標(biāo)定[4]。

在單元設(shè)備準(zhǔn)直時(shí)，先將各設(shè)備準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光跟蹤儀，測(cè)量二極磁鐵的四個(gè)準(zhǔn)直基準(zhǔn)點(diǎn)，將測(cè)量值與二極磁鐵的理論值數(shù)據(jù)相擬合，使跟蹤儀得到二極磁鐵的磁鐵坐標(biāo)系(即單元的預(yù)準(zhǔn)直坐標(biāo)系)。在此坐標(biāo)系下用跟蹤儀把其余設(shè)備準(zhǔn)直到規(guī)定的位置限差。

標(biāo)準(zhǔn)單元的(X, Y, Z)預(yù)準(zhǔn)直精度為：磁鐵，0.031、0.026、0.038 mm；真空盒，0.309、0.3、0.436 mm。

4 結(jié)論

為保證預(yù)準(zhǔn)直工程的勝利完成，我們制定了嚴(yán)格詳細(xì)的工作規(guī)范，并對(duì)每一個(gè)單元建立質(zhì)量跟蹤卡，實(shí)施嚴(yán)格的工程質(zhì)量管理。BEPCII建成后首次開機(jī)就實(shí)現(xiàn)了束流繞儲(chǔ)存環(huán)軌道的成功運(yùn)行，2009年7月BEPCII順利通過國家驗(yàn)收，充分證明預(yù)準(zhǔn)直工程是成功的。

1 于成浩, 殷立新, 杜涵文, 等. 強(qiáng)激光與粒子束, 2006,18(7): 1167–1172 YU Chenghao, YIN Lixin, DU Hanwen,et al. High Power Laser Part Beams, 2006, 18(7): 1167–1172

2 陳文軍, 滿開第, 王少明, 等. 核技術(shù), 2010, 33(1):65–68 CHEN Wenjun, MAN Kaidi, WANG Shaoming,et al.Nucl Tech, 2010, 33(1): 65–68

3 陳佳洱. 加速器物理基礎(chǔ). 北京: 原子能出版社, 1993.99–122 CHEN Jiaer. Foundations of accelerator physics. Beijing:Atomic Energy Press, 1993. 99–122

4 門玲鸰, 康 玲, 辛洪兵, 等. 機(jī)械工程師, 2005, (10):104–106 MEN Lingling, KANG Ling, XIN Hongbing,et al. Mech Eng, 2005, (10): 104–106