1gev質子加速器項目建議書準直

1、PAGE PAGE 121GeV質子加速器研制建議書（準直）任務要求和技術簡介1GeV質子加速器研制是一項非常龐大和復雜的工程，其中為保持束流傳輸過程不致發(fā)散，高精度的磁軸準直技術是重要保證；機械軸的準直安裝是磁軸準直及磁場誤差校正的基礎。1GeV質子加速器主體由RFQ、加速段和實驗區(qū)串接而成，長度接近600米。根據(jù)XFEL首先應用笛卡爾右手坐標系，建立1GeV質子加速器的整體坐標系，建立各個部分之間的位置關系。1GeV質子加速器準直安裝的控制測量網(wǎng)，就是遵循分級布網(wǎng)、逐級控制的原則，在RFQ、加速段和實驗區(qū)三個部分中分布、分級的布置，并且由高程控制測量網(wǎng)和平面控制測量網(wǎng)組成的。通用測量采用激

2、光跟蹤儀、GPS、電子水準儀和全站儀組合使用。電子水準儀、全站儀和GPS完成整體坐標系的建立，提高窄的線性網(wǎng)絡的旋轉穩(wěn)定性；激光跟蹤儀提供優(yōu)良的3-D定位精度，實現(xiàn)控制網(wǎng)的加密和設備的定位安裝。通過測量儀器，依據(jù)控制測量網(wǎng)，測量出了各部件準直安裝的位置，高精度調節(jié)機構就是要把XFEL的各部件調整到位。由于1GeV質子加速器準直安裝精度、調整范圍和調整頻率各不相同，因此，調節(jié)機構的形式也有多種，各種形式的數(shù)量也有很大的差別，在設計時就必須根據(jù)需求分別考慮。技術路線準直精度要求1GeV質子加速器主體由RFQ、加速段和實驗區(qū)等幾個部分組成，由于物理功能的不同準直精度的要求也不同見表1。表1 1GeV

3、質子加速器各部分的準直精度RFQ2002001n/an/a加速段2002001300/12050/120實驗區(qū)200200n/an/an/an/a=not applicable1GeV質子加速器準直技術路線和功能模塊根據(jù)1GeV質子加速器的特點，準直安裝的技術路線如下：首先建立項目的整體坐標系，建立各個部分之間的位置關系；然后采用較常規(guī)測量儀器和技術，對每一部分控制網(wǎng)的布設、和準直調節(jié)；分步驟的調節(jié)滿足要求。要實現(xiàn)1GeV質子加速器的準直安裝，按照功能分主要包括：通用高精度測量儀器和技術、控制測量網(wǎng)、精密調節(jié)機構、最先進專用測量技術等方面內容。這幾個方面具有不同的功能，是完成1GeV質子加速器

4、準直安裝的主要組成部分，如圖1所示。其主要功能如下：通用通用高精度測量儀器控制測量網(wǎng)質子加速器準直系統(tǒng)準直調節(jié)機構先進專用測量技術系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、控制圖1 質子加速器準直系統(tǒng)功能模塊通用高精度測量儀器通用高精度測量儀器在1GeV質子加速器準直中，首先，測量建立一級控制網(wǎng)和總體安裝坐標系；其次，測量足夠多、具有足夠精度的控制點，建立3個二極控制測量網(wǎng)；再進行準直部件的標定，和找正各部件安裝位置的測量。由于1GeV質子加速器的測程有將近600m，準直的角度誤差2，準直的高程誤差0.20控制測量網(wǎng)1GeV質子加速器進行準直安裝時，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)是進行各項測量工作的

5、基礎，具有控制全局的作用，可保證各物體間的相關位置具有必要的精度，具有限制測量誤差的傳遞和積累的作用。建立體現(xiàn)總體安裝坐標系的控制測量網(wǎng)，必須有足夠多、具有足夠精度的控制點?？刂泣c是在整個測量范圍內選擇一些有控制意義的點子，首先把它們的平面和高程位置精確地測量出來，然后再根據(jù)他們測定其他點。這些有控制意義的點組成了測量范圍的骨干。先進專用測量技術1GeV質子加速器部分區(qū)域的準直精度非常最苛刻，采用通用高精度測量儀器建立的控制測量無法滿足，需要采用最先進的技術、設備進行進一步的準直才能滿足要求。準直調節(jié)機構通過高精度測量儀器，依據(jù)控制測量網(wǎng)和最先進的技術、設備測量出了各部件準直安裝的位置，高精度

6、調節(jié)機構就是要把1GeV質子加速器的各部件調整到位。由于1GeV質子加速器準直精度小于0.05 mm，同時必須能夠調節(jié)X、Y、Z的移動和繞X、Y、Z的轉動六個自由度，X、Y、Z方向的移動的調節(jié)精度定位為0.001 mm，調節(jié)量為10 mm，這樣，就要選用空間機構作為調節(jié)機構的結構形式。同時，1GeV質子加速器主體包括1GeV質子加速器系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、控制1GeV質子加速器控制測量網(wǎng)點測量、標定碎部測量和準直安裝測量，是采用全站儀、電子水準儀、GPS以及激光跟蹤儀等各種儀器在不同的時期完成的。因此，需要應用合理的數(shù)據(jù)處理方法，將測量的數(shù)據(jù)進行預處理和管理，并轉化成調節(jié)機構能夠識別的數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)1G

7、eV質子加速器的快速準直安裝提供了條件。1GeV質子加速器準直系統(tǒng)組成根據(jù)實現(xiàn)1GeV質子加速器的準直安裝的各功能模塊，整個系統(tǒng)所需要的部件規(guī)格及數(shù)量見表2。表2 1GeV質子加速器準直系統(tǒng)部件規(guī)格及數(shù)量序號儀器、設備名稱數(shù)量單位主要性能指標或作用使用備份合計1激光跟蹤儀22臺一級和二級控制測量網(wǎng)建立,各部件的定位2全站儀11臺一級控制測量網(wǎng)建立，建筑基礎的變形監(jiān)測3數(shù)字水準儀11臺一級控制測量網(wǎng)建立，建筑基礎的變形監(jiān)測4GPS定位儀44臺一級控制測量網(wǎng)建立，建筑基礎的變形監(jiān)測5平面控制網(wǎng)校驗11套一級控制測量網(wǎng)校驗6專用水準測量系統(tǒng)1套Undulator部分的準直7專用水平位移監(jiān)控系統(tǒng)1套U

8、ndulator部分的準直8雙頻激光干涉儀11臺用于儀器的校驗9微位移傳感器12214臺準直設備位置的檢測10測量網(wǎng)反射球座80050850套設備定位基準11安裝設備反射球座35002003700個設備定位基準12儀器測量固定臺20222套測量儀器安裝13RFQ部分調節(jié)支架55套準直自動調節(jié)14加速段部分調節(jié)支架150150套準直自動調節(jié)15實驗區(qū)部分調節(jié)支架4040套準直自動調節(jié)16其他部分調節(jié)支架1010套準直自動調節(jié)17準直儀器校準間設備11套用于儀器的校驗18大理石平臺22套用于儀器的校驗19直線導軌55套用于儀器的校驗和設備對準20調節(jié)支架驅動、控制軟件22套準直自動調節(jié)機構控制21

9、測量數(shù)據(jù)處理、控制網(wǎng)平差分析軟件11套測量數(shù)據(jù)處理22安裝用通用工、夾具5050套準直輔助23安裝用專用工裝120120套準直輔助24準直其它設備準直關鍵技術分析通用高精度測量通用高精度測量儀器在1GeV質子加速器準直中，首先，測量建立一級控制網(wǎng)和總體安裝坐標系；其次，測量足夠多、具有足夠精度的控制點，建立三個二極控制測量網(wǎng)；再進行準直部件的標定，和找正各部件安裝位置的測量?，F(xiàn)在能實現(xiàn)以上功能的精密測量儀器有：光學水準儀、光學經緯儀、電子全站儀、數(shù)子水準儀、靜力水準測量、高精度GPS接收機、激光跟蹤儀、數(shù)字攝影測量系統(tǒng)。通過對各種儀器的特點及所能達到的精度進行分析，高程測量儀器、角度測量儀器和

10、綜合測量儀器這三類儀器任選其一進行組合應用，都能實現(xiàn)直線感應加速器系統(tǒng)準直安裝的測量功能，并滿足直線感應加速器測程將近600 m、準直安裝角度誤差2、準直安裝高程誤差0.高程測量儀器光學水準儀測量照準困難、人為因素較多；而電子水準儀DNA03在以上幾方面有較大的優(yōu)勢，是一級測量控制網(wǎng)較適合的儀器；靜力水準測量系統(tǒng)價格高、通用性差但精度非常高，是高精度高程測量的理想測量儀器；角度測量儀器光學經緯儀測量照準困難、人為因素較多；電子經緯儀和全站儀同計算機相結合，實現(xiàn)了角度觀測過程中觀測值的獲取、傳輸、處理的自動化，克服了人為因素的影響，是較適合的儀器。綜合測量儀器數(shù)字攝影測量系統(tǒng)在距離較大時精度不能

11、保證；激光跟蹤儀的測量距離較大、精度高、便于自動化、實時動態(tài)測量的特點，非常適合數(shù)量、種類多和形狀復雜的1GeV質子加速器部件的標定測量、準直安裝碎步測量和安裝檢修，是首選的儀器；高精度GPS系統(tǒng)適用于大尺寸的一級控制測量網(wǎng)建立。綜合考慮測量精度、現(xiàn)場情況、價格因素和使用性等方面因素，選擇了電子水準儀測量高程、全站儀測量角度、高精度GPS系統(tǒng)測量大尺寸，激光跟蹤儀進行標定等綜合測量，共同完成1GeV質子加速器系統(tǒng)通用準直測量。拉線位移監(jiān)控系統(tǒng)和靜力水準測量系統(tǒng)完成高精度準直測量。1GeV質子加速器控制測量網(wǎng)設計整個1GeV質子加速器項目長度接近6001GeV質子加速器控制測量網(wǎng)方案1GeV質子

12、加速器各個部分的機械軸準直精度不相同，按照分級布網(wǎng)、逐級控制的原則：首先布設聯(lián)系各個的部分一級控制網(wǎng)和整體坐標系；然后按照RFQ、加速段和實驗區(qū)三個部分進行下一級控制點的加密，保證基本準直安裝精度，控制測量網(wǎng)分為一維高程控制測量網(wǎng)、二維平面控制測量網(wǎng)。1GeV質子加速器控制測量網(wǎng)結構:首先，必須要建立聯(lián)系四個部分的一級控制網(wǎng)和整體坐標系；然后，四個部分分別建立各自的平面網(wǎng)和高程網(wǎng)，提供各自準直安裝達到直線性精度的依據(jù)1GeV質子加速器一級控制網(wǎng)和整體坐標系建立3.2.2.1 1GeV質子加速器整體坐標系1GeV質子加速器準直總體坐標系統(tǒng)將是一個笛卡爾坐標系的右手原則，起點將被放置在加速段上，它

13、是純粹虛擬點， 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 總體坐標系3.2.2.2 1GeV質子加速器一級控制網(wǎng)由于1GeV質子加速器包括RFQ、加速段和實驗區(qū)三個部分，因此，建立的一級控制測量網(wǎng)就有五個基準點，每兩個基準點控制一段，并且相互聯(lián)系（見圖3）。一級控制測量網(wǎng)應用全站儀和數(shù)字水準儀進行測量建立。圖3 XFEL一級控制測量網(wǎng)3.2.2.3 地球曲率1GeV質子加速器控制網(wǎng)的影響1GeV質子加速器項目占地范圍較大，地球曲率對長距離的測量是有影響的。大地水準面和測量平面之間的差異不顯著，因此，這項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質子加速器項目的相對小的區(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質子加速器二級控制網(wǎng)的組成和建立1GeV質子加速器二級測量控制網(wǎng)由RFQ、加速段和實驗區(qū)三個部分組成。3.2.3.1 RFQ、加速段和實驗區(qū)控制網(wǎng)RFQ、加速段和實驗區(qū)控制網(wǎng)用于本部分所有部件的測量、調節(jié)和矯直（平滑）。由于這三個區(qū)域的組件具有較松的定位公差要求，這級控制網(wǎng)就可以滿足全部部件的準直工作。3.2.3.2 二級控制網(wǎng)的

15、建立根據(jù)要有足夠的密度，即要求在測區(qū)范圍內，有足夠多的控制點的布網(wǎng)原則。在二級控制網(wǎng)內部，控制點以8米為間距密布，圖4是采用激光跟蹤儀進行控制網(wǎng)測量的示意圖。圖2 質子加速器二級控制測量網(wǎng)測量準直調節(jié)機構1GeV質子加速器主體包括RFQ、加速段和實驗區(qū)三個部分，它們的結構、數(shù)量、大小和組成形式各不相同，準直精度也不同。因此進行準直安裝時，準直調節(jié)支架的結構和驅動形式要分別考慮；設備進行準直安裝的實現(xiàn)程序也有兩種。1GeV質子加速器的調節(jié)支架必須能夠調節(jié)X、Y、Z的移動和繞X、Y、Z的轉動，這樣，就要選用空間機構作為調節(jié)機構的結構形式。XFEL的各類準直調節(jié)支架有幾百個，從提高效率和降低勞動強度

16、考慮，調節(jié)支架的驅動方式采用自動。對于準直精度要求高并且頻繁調節(jié)的部分，必須考慮地基震動的影響，這部分的調節(jié)機構不僅需要自動調節(jié)還需要有減震結構。根據(jù)準直安裝不同部件的批量、大小、重量和精度，準直安裝的實現(xiàn)程序有兩種：直接安裝法和預準直安裝法。直接安裝法就是把準直安裝部件直接放到大廳里，使其調到理想位置；預準直安裝法，就是把相同類別和用途的部件預先安裝同軸，再作為一個整體放到大廳里，使其調到理想位置。采用預準直安裝法需要有上、下兩套調節(jié)機構，因此，在設計中必須考慮到高度方向的布局，同時機構的穩(wěn)定性、調節(jié)準確度，使用、維修的便利性，機構簡單、利于加工等都是需要考慮的。1GeV質子加速器準直系統(tǒng)工

17、藝設備明細通過對1GeV質子加速器準直的任務要求和技術分析，可以的到這一部分的工藝設備明細及概算如表3所示。1GeV質子加速器準直系統(tǒng)工藝設備明細及概算表單位：萬元、萬美元序號設備名稱型號數(shù)量單位單價合價其中：外匯備注需用備份合計11GeV質子加速器美元匯率1:6.7歐元匯率1：101.1準直系統(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)字水準儀Leica11套2020$2.98GPS定位儀Leica44套32128$19.1平面控制網(wǎng)校驗非標11套3030專用高程測量系統(tǒng)非標11套7070專用水平位移監(jiān)測系統(tǒng)非標11套180180雙頻激光干涉儀英國11套8080$11.94微位移傳