1gev質(zhì)子加速器項(xiàng)目建議書準(zhǔn)直

1、PAGE PAGE 121GeV質(zhì)子加速器研制建議書（準(zhǔn)直）任務(wù)要求和技術(shù)簡(jiǎn)介1GeV質(zhì)子加速器研制是一項(xiàng)非常龐大和復(fù)雜的工程，其中為保持束流傳輸過程不致發(fā)散，高精度的磁軸準(zhǔn)直技術(shù)是重要保證；機(jī)械軸的準(zhǔn)直安裝是磁軸準(zhǔn)直及磁場(chǎng)誤差校正的基礎(chǔ)。1GeV質(zhì)子加速器主體由RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)串接而成，長(zhǎng)度接近600米。根據(jù)XFEL首先應(yīng)用笛卡爾右手坐標(biāo)系，建立1GeV質(zhì)子加速器的整體坐標(biāo)系，建立各個(gè)部分之間的位置關(guān)系。1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直安裝的控制測(cè)量網(wǎng)，就是遵循分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則，在RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)三個(gè)部分中分布、分級(jí)的布置，并且由高程控制測(cè)量網(wǎng)和平面控制測(cè)量網(wǎng)組成的。通用測(cè)量采用激

2、光跟蹤儀、GPS、電子水準(zhǔn)儀和全站儀組合使用。電子水準(zhǔn)儀、全站儀和GPS完成整體坐標(biāo)系的建立，提高窄的線性網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；激光跟蹤儀提供優(yōu)良的3-D定位精度，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)的加密和設(shè)備的定位安裝。通過測(cè)量?jī)x器，依據(jù)控制測(cè)量網(wǎng)，測(cè)量出了各部件準(zhǔn)直安裝的位置，高精度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是要把XFEL的各部件調(diào)整到位。由于1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直安裝精度、調(diào)整范圍和調(diào)整頻率各不相同，因此，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的形式也有多種，各種形式的數(shù)量也有很大的差別，在設(shè)計(jì)時(shí)就必須根據(jù)需求分別考慮。技術(shù)路線準(zhǔn)直精度要求1GeV質(zhì)子加速器主體由RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)等幾個(gè)部分組成，由于物理功能的不同準(zhǔn)直精度的要求也不同見表1。表1 1GeV

3、質(zhì)子加速器各部分的準(zhǔn)直精度RFQ2002001n/an/a加速段2002001300/12050/120實(shí)驗(yàn)區(qū)200200n/an/an/an/a=not applicable1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直技術(shù)路線和功能模塊根據(jù)1GeV質(zhì)子加速器的特點(diǎn)，準(zhǔn)直安裝的技術(shù)路線如下：首先建立項(xiàng)目的整體坐標(biāo)系，建立各個(gè)部分之間的位置關(guān)系；然后采用較常規(guī)測(cè)量?jī)x器和技術(shù)，對(duì)每一部分控制網(wǎng)的布設(shè)、和準(zhǔn)直調(diào)節(jié)；分步驟的調(diào)節(jié)滿足要求。要實(shí)現(xiàn)1GeV質(zhì)子加速器的準(zhǔn)直安裝，按照功能分主要包括：通用高精度測(cè)量?jī)x器和技術(shù)、控制測(cè)量網(wǎng)、精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、最先進(jìn)專用測(cè)量技術(shù)等方面內(nèi)容。這幾個(gè)方面具有不同的功能，是完成1GeV質(zhì)子加速器

4、準(zhǔn)直安裝的主要組成部分，如圖1所示。其主要功能如下：通用通用高精度測(cè)量?jī)x器控制測(cè)量網(wǎng)質(zhì)子加速器準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)先進(jìn)專用測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、控制圖1 質(zhì)子加速器準(zhǔn)直系統(tǒng)功能模塊通用高精度測(cè)量?jī)x器通用高精度測(cè)量?jī)x器在1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直中，首先，測(cè)量建立一級(jí)控制網(wǎng)和總體安裝坐標(biāo)系；其次，測(cè)量足夠多、具有足夠精度的控制點(diǎn)，建立3個(gè)二極控制測(cè)量網(wǎng)；再進(jìn)行準(zhǔn)直部件的標(biāo)定，和找正各部件安裝位置的測(cè)量。由于1GeV質(zhì)子加速器的測(cè)程有將近600m，準(zhǔn)直的角度誤差2，準(zhǔn)直的高程誤差0.20控制測(cè)量網(wǎng)1GeV質(zhì)子加速器進(jìn)行準(zhǔn)直安裝時(shí)，建立具有必要精度的安裝控制網(wǎng)有非常重要的作用?？刂凭W(wǎng)是進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)量工作的

5、基礎(chǔ)，具有控制全局的作用，可保證各物體間的相關(guān)位置具有必要的精度，具有限制測(cè)量誤差的傳遞和積累的作用。建立體現(xiàn)總體安裝坐標(biāo)系的控制測(cè)量網(wǎng)，必須有足夠多、具有足夠精度的控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)是在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)選擇一些有控制意義的點(diǎn)子，首先把它們的平面和高程位置精確地測(cè)量出來，然后再根據(jù)他們測(cè)定其他點(diǎn)。這些有控制意義的點(diǎn)組成了測(cè)量范圍的骨干。先進(jìn)專用測(cè)量技術(shù)1GeV質(zhì)子加速器部分區(qū)域的準(zhǔn)直精度非常最苛刻，采用通用高精度測(cè)量?jī)x器建立的控制測(cè)量無法滿足，需要采用最先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的準(zhǔn)直才能滿足要求。準(zhǔn)直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過高精度測(cè)量?jī)x器，依據(jù)控制測(cè)量網(wǎng)和最先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備測(cè)量出了各部件準(zhǔn)直安裝的位置，高精度

6、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)就是要把1GeV質(zhì)子加速器的各部件調(diào)整到位。由于1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直精度小于0.05 mm，同時(shí)必須能夠調(diào)節(jié)X、Y、Z的移動(dòng)和繞X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度，X、Y、Z方向的移動(dòng)的調(diào)節(jié)精度定位為0.001 mm，調(diào)節(jié)量為10 mm，這樣，就要選用空間機(jī)構(gòu)作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，1GeV質(zhì)子加速器主體包括1GeV質(zhì)子加速器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、控制1GeV質(zhì)子加速器控制測(cè)量網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量、標(biāo)定碎部測(cè)量和準(zhǔn)直安裝測(cè)量，是采用全站儀、電子水準(zhǔn)儀、GPS以及激光跟蹤儀等各種儀器在不同的時(shí)期完成的。因此，需要應(yīng)用合理的數(shù)據(jù)處理方法，將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和管理，并轉(zhuǎn)化成調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)1G

7、eV質(zhì)子加速器的快速準(zhǔn)直安裝提供了條件。1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直系統(tǒng)組成根據(jù)實(shí)現(xiàn)1GeV質(zhì)子加速器的準(zhǔn)直安裝的各功能模塊，整個(gè)系統(tǒng)所需要的部件規(guī)格及數(shù)量見表2。表2 1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直系統(tǒng)部件規(guī)格及數(shù)量序號(hào)儀器、設(shè)備名稱數(shù)量單位主要性能指標(biāo)或作用使用備份合計(jì)1激光跟蹤儀22臺(tái)一級(jí)和二級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)建立,各部件的定位2全站儀11臺(tái)一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)建立，建筑基礎(chǔ)的變形監(jiān)測(cè)3數(shù)字水準(zhǔn)儀11臺(tái)一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)建立，建筑基礎(chǔ)的變形監(jiān)測(cè)4GPS定位儀44臺(tái)一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)建立，建筑基礎(chǔ)的變形監(jiān)測(cè)5平面控制網(wǎng)校驗(yàn)11套一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)校驗(yàn)6專用水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)1套Undulator部分的準(zhǔn)直7專用水平位移監(jiān)控系統(tǒng)1套U

8、ndulator部分的準(zhǔn)直8雙頻激光干涉儀11臺(tái)用于儀器的校驗(yàn)9微位移傳感器12214臺(tái)準(zhǔn)直設(shè)備位置的檢測(cè)10測(cè)量網(wǎng)反射球座80050850套設(shè)備定位基準(zhǔn)11安裝設(shè)備反射球座35002003700個(gè)設(shè)備定位基準(zhǔn)12儀器測(cè)量固定臺(tái)20222套測(cè)量?jī)x器安裝13RFQ部分調(diào)節(jié)支架55套準(zhǔn)直自動(dòng)調(diào)節(jié)14加速段部分調(diào)節(jié)支架150150套準(zhǔn)直自動(dòng)調(diào)節(jié)15實(shí)驗(yàn)區(qū)部分調(diào)節(jié)支架4040套準(zhǔn)直自動(dòng)調(diào)節(jié)16其他部分調(diào)節(jié)支架1010套準(zhǔn)直自動(dòng)調(diào)節(jié)17準(zhǔn)直儀器校準(zhǔn)間設(shè)備11套用于儀器的校驗(yàn)18大理石平臺(tái)22套用于儀器的校驗(yàn)19直線導(dǎo)軌55套用于儀器的校驗(yàn)和設(shè)備對(duì)準(zhǔn)20調(diào)節(jié)支架驅(qū)動(dòng)、控制軟件22套準(zhǔn)直自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制21

9、測(cè)量數(shù)據(jù)處理、控制網(wǎng)平差分析軟件11套測(cè)量數(shù)據(jù)處理22安裝用通用工、夾具5050套準(zhǔn)直輔助23安裝用專用工裝120120套準(zhǔn)直輔助24準(zhǔn)直其它設(shè)備準(zhǔn)直關(guān)鍵技術(shù)分析通用高精度測(cè)量通用高精度測(cè)量?jī)x器在1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直中，首先，測(cè)量建立一級(jí)控制網(wǎng)和總體安裝坐標(biāo)系；其次，測(cè)量足夠多、具有足夠精度的控制點(diǎn)，建立三個(gè)二極控制測(cè)量網(wǎng)；再進(jìn)行準(zhǔn)直部件的標(biāo)定，和找正各部件安裝位置的測(cè)量。現(xiàn)在能實(shí)現(xiàn)以上功能的精密測(cè)量?jī)x器有：光學(xué)水準(zhǔn)儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、電子全站儀、數(shù)子水準(zhǔn)儀、靜力水準(zhǔn)測(cè)量、高精度GPS接收機(jī)、激光跟蹤儀、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)。通過對(duì)各種儀器的特點(diǎn)及所能達(dá)到的精度進(jìn)行分析，高程測(cè)量?jī)x器、角度測(cè)量?jī)x器和

10、綜合測(cè)量?jī)x器這三類儀器任選其一進(jìn)行組合應(yīng)用，都能實(shí)現(xiàn)直線感應(yīng)加速器系統(tǒng)準(zhǔn)直安裝的測(cè)量功能，并滿足直線感應(yīng)加速器測(cè)程將近600 m、準(zhǔn)直安裝角度誤差2、準(zhǔn)直安裝高程誤差0.高程測(cè)量?jī)x器光學(xué)水準(zhǔn)儀測(cè)量照準(zhǔn)困難、人為因素較多；而電子水準(zhǔn)儀DNA03在以上幾方面有較大的優(yōu)勢(shì)，是一級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)較適合的儀器；靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)價(jià)格高、通用性差但精度非常高，是高精度高程測(cè)量的理想測(cè)量?jī)x器；角度測(cè)量?jī)x器光學(xué)經(jīng)緯儀測(cè)量照準(zhǔn)困難、人為因素較多；電子經(jīng)緯儀和全站儀同計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了角度觀測(cè)過程中觀測(cè)值的獲取、傳輸、處理的自動(dòng)化，克服了人為因素的影響，是較適合的儀器。綜合測(cè)量?jī)x器數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)在距離較大時(shí)精度不能

11、保證；激光跟蹤儀的測(cè)量距離較大、精度高、便于自動(dòng)化、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的特點(diǎn)，非常適合數(shù)量、種類多和形狀復(fù)雜的1GeV質(zhì)子加速器部件的標(biāo)定測(cè)量、準(zhǔn)直安裝碎步測(cè)量和安裝檢修，是首選的儀器；高精度GPS系統(tǒng)適用于大尺寸的一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)建立。綜合考慮測(cè)量精度、現(xiàn)場(chǎng)情況、價(jià)格因素和使用性等方面因素，選擇了電子水準(zhǔn)儀測(cè)量高程、全站儀測(cè)量角度、高精度GPS系統(tǒng)測(cè)量大尺寸，激光跟蹤儀進(jìn)行標(biāo)定等綜合測(cè)量，共同完成1GeV質(zhì)子加速器系統(tǒng)通用準(zhǔn)直測(cè)量。拉線位移監(jiān)控系統(tǒng)和靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)完成高精度準(zhǔn)直測(cè)量。1GeV質(zhì)子加速器控制測(cè)量網(wǎng)設(shè)計(jì)整個(gè)1GeV質(zhì)子加速器項(xiàng)目長(zhǎng)度接近6001GeV質(zhì)子加速器控制測(cè)量網(wǎng)方案1GeV質(zhì)子

12、加速器各個(gè)部分的機(jī)械軸準(zhǔn)直精度不相同，按照分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則：首先布設(shè)聯(lián)系各個(gè)的部分一級(jí)控制網(wǎng)和整體坐標(biāo)系；然后按照RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)三個(gè)部分進(jìn)行下一級(jí)控制點(diǎn)的加密，保證基本準(zhǔn)直安裝精度，控制測(cè)量網(wǎng)分為一維高程控制測(cè)量網(wǎng)、二維平面控制測(cè)量網(wǎng)。1GeV質(zhì)子加速器控制測(cè)量網(wǎng)結(jié)構(gòu):首先，必須要建立聯(lián)系四個(gè)部分的一級(jí)控制網(wǎng)和整體坐標(biāo)系；然后，四個(gè)部分分別建立各自的平面網(wǎng)和高程網(wǎng)，提供各自準(zhǔn)直安裝達(dá)到直線性精度的依據(jù)1GeV質(zhì)子加速器一級(jí)控制網(wǎng)和整體坐標(biāo)系建立3.2.2.1 1GeV質(zhì)子加速器整體坐標(biāo)系1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直總體坐標(biāo)系統(tǒng)將是一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系的右手原則，起點(diǎn)將被放置在加速段上，它

13、是純粹虛擬點(diǎn)， z軸在加速段的軸線方向，y軸垂直向上，x軸由右手定來?。ㄒ妶D2）。圖2 總體坐標(biāo)系3.2.2.2 1GeV質(zhì)子加速器一級(jí)控制網(wǎng)由于1GeV質(zhì)子加速器包括RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)三個(gè)部分，因此，建立的一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)就有五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)控制一段，并且相互聯(lián)系（見圖3）。一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)應(yīng)用全站儀和數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量建立。圖3 XFEL一級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)3.2.2.3 地球曲率1GeV質(zhì)子加速器控制網(wǎng)的影響1GeV質(zhì)子加速器項(xiàng)目占地范圍較大，地球曲率對(duì)長(zhǎng)距離的測(cè)量是有影響的。大地水準(zhǔn)面和測(cè)量平面之間的差異不顯著，因此，這項(xiàng)目沒有必要考慮水平面的角度和距離的偏差。然而，在垂直平面中，需

14、要考慮地球曲率的影響。在1GeV質(zhì)子加速器項(xiàng)目的相對(duì)小的區(qū)域，地球可以替換最佳擬合的球體。表2顯示水平面和球隨著距離變化兩者之間的差異。表2 曲率校正Distance r (m)Sphere H3 (mm)200.03500.21000.78100078.461GeV質(zhì)子加速器二級(jí)控制網(wǎng)的組成和建立1GeV質(zhì)子加速器二級(jí)測(cè)量控制網(wǎng)由RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)三個(gè)部分組成。3.2.3.1 RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)控制網(wǎng)RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)控制網(wǎng)用于本部分所有部件的測(cè)量、調(diào)節(jié)和矯直（平滑）。由于這三個(gè)區(qū)域的組件具有較松的定位公差要求，這級(jí)控制網(wǎng)就可以滿足全部部件的準(zhǔn)直工作。3.2.3.2 二級(jí)控制網(wǎng)的

15、建立根據(jù)要有足夠的密度，即要求在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，有足夠多的控制點(diǎn)的布網(wǎng)原則。在二級(jí)控制網(wǎng)內(nèi)部，控制點(diǎn)以8米為間距密布，圖4是采用激光跟蹤儀進(jìn)行控制網(wǎng)測(cè)量的示意圖。圖2 質(zhì)子加速器二級(jí)控制測(cè)量網(wǎng)測(cè)量準(zhǔn)直調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)1GeV質(zhì)子加速器主體包括RFQ、加速段和實(shí)驗(yàn)區(qū)三個(gè)部分，它們的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、大小和組成形式各不相同，準(zhǔn)直精度也不同。因此進(jìn)行準(zhǔn)直安裝時(shí)，準(zhǔn)直調(diào)節(jié)支架的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)形式要分別考慮；設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)直安裝的實(shí)現(xiàn)程序也有兩種。1GeV質(zhì)子加速器的調(diào)節(jié)支架必須能夠調(diào)節(jié)X、Y、Z的移動(dòng)和繞X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，就要選用空間機(jī)構(gòu)作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。XFEL的各類準(zhǔn)直調(diào)節(jié)支架有幾百個(gè)，從提高效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度

16、考慮，調(diào)節(jié)支架的驅(qū)動(dòng)方式采用自動(dòng)。對(duì)于準(zhǔn)直精度要求高并且頻繁調(diào)節(jié)的部分，必須考慮地基震動(dòng)的影響，這部分的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不僅需要自動(dòng)調(diào)節(jié)還需要有減震結(jié)構(gòu)。根據(jù)準(zhǔn)直安裝不同部件的批量、大小、重量和精度，準(zhǔn)直安裝的實(shí)現(xiàn)程序有兩種：直接安裝法和預(yù)準(zhǔn)直安裝法。直接安裝法就是把準(zhǔn)直安裝部件直接放到大廳里，使其調(diào)到理想位置；預(yù)準(zhǔn)直安裝法，就是把相同類別和用途的部件預(yù)先安裝同軸，再作為一個(gè)整體放到大廳里，使其調(diào)到理想位置。采用預(yù)準(zhǔn)直安裝法需要有上、下兩套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，因此，在設(shè)計(jì)中必須考慮到高度方向的布局，同時(shí)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度，使用、維修的便利性，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、利于加工等都是需要考慮的。1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直系統(tǒng)工

17、藝設(shè)備明細(xì)通過對(duì)1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直的任務(wù)要求和技術(shù)分析，可以的到這一部分的工藝設(shè)備明細(xì)及概算如表3所示。1GeV質(zhì)子加速器準(zhǔn)直系統(tǒng)工藝設(shè)備明細(xì)及概算表單位：萬元、萬美元序號(hào)設(shè)備名稱型號(hào)數(shù)量單位單價(jià)合價(jià)其中：外匯備注需用備份合計(jì)11GeV質(zhì)子加速器美元匯率1:6.7歐元匯率1：101.1準(zhǔn)直系統(tǒng)7414.3$116.92激光跟蹤儀Leica、Faro22套180360$53.7全站儀Leica11套9797$14.5數(shù)字水準(zhǔn)儀Leica11套2020$2.98GPS定位儀Leica44套32128$19.1平面控制網(wǎng)校驗(yàn)非標(biāo)11套3030專用高程測(cè)量系統(tǒng)非標(biāo)11套7070專用水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非標(biāo)11套180180雙頻激光干涉儀英國(guó)11套8080$11.94微位移傳