BEPCII储存环的预准直

王小龙 董 岚 李 波 门玲鴒 罗 涛

(中国科学院高能物理研究所 北京 100049)

北京正负电子对撞机(BEPC)建成于 1988年，运行十多年后于2004年拆除，开始BEPCII的建设工作。BEPCII分为直线加速器、输运线和储存环加速器三部分(图1)。储存环加速器由正电子环和负电子环构成，两环周长均为237.53 m，建于原BEPC储存环隧道中，需完成拆除旧加速器、地面改造、水电安装、墙壁修整及新设备安装等工作。经研究决定，将构成BEPCII储存环主体的84个标准单元的安装准直工作抽取出来，成立预准直工程小组，负责磁铁标定和标准单元的安装准直工作。每完成一个标准单元的安装准直后运送到隧道参加储存环加速器的安装和整体准直工作，这可极大地提高工作效率。

图1 BEPCII总体布局Fig.1 General layout of BEPCII.

1 BEPCII预准直工程精度要求

BEPCII预准直工程从2005年8月1日开始至2006年7月27日结束，期间完成了84个标准单元的安装、准直和90多块各类零散磁铁的标定工作。

由于加速器结构的复杂性，加速器的安装测量须分成多个步骤依次进行。为确保加速器各设备的最终定位误差满足物理设计要求，我们仔细分析了每一步骤的误差源，给定了合理的步骤限差[1]。预准直工程涉及到的准直精度要求见表1。

为达上述准直精度要求，须精心制定磁铁标定方案、磁铁调整方案和磁铁固定方案，还要尽量减小温度变化和运输等因素带来的磁铁位置精度损失。

2 磁铁标定方案

标准单元安装、准直时首先要做磁铁标定，即建立磁铁外部准直基准点与磁铁几何中心的空间位置关系，从而保证在安装、准直时能利用准直基准点把磁铁调整到目标位置[2]。

为方便隧道准直测量，我们把准直基准座焊在磁铁顶部(图2)。

一个标准单元包括二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁和校正磁铁，我们使用标准单元的支架作为磁铁标定平台。用千斤顶将单元支架支起，通过调节千斤顶调平支架上的磁铁。本文主要介绍二极磁铁和四极磁铁的标定方案。

表1 磁铁标定和标准单元主要设备预准直的精度要求Table 1 Tolerance requirements on the magnet fiducialization and some of major devices in the cell.

图2 磁铁准直基准点Fig.2 Fiducial points on a magnet.

2.1 二极磁铁标定方案

二极磁铁标定仪器为激光跟踪仪、水准仪和电子水平仪。二极磁铁的标定目标是在二极磁铁上下极面间的中心位置建立一个空间直角坐标系，得到磁铁顶面四个准直基准点的坐标值，以及在磁铁下极面水平时磁铁顶面基准平面的倾角值。

建立二极磁铁的空间直角坐标系，需测量二极磁铁的外部基准面。我们选用二极磁铁的下极面、前端面和侧端面作为基准面，使用激光跟踪仪测量。具体做法是：测量磁铁下极面上八个点，这八个点要全面覆盖整个下极面，充分反映下极面的形状，拟合得到平面T-PLANE。测量磁铁前端面四个点，拟合得到平面F-PLANE。测量磁铁侧端面四个点，拟合得到平面E-PLANE。以T-PLANE、E-PLANE和F-PLANE三平面的交点建立点O1。以T-PLANE和F-PLANE平面的交线建立直线Z1。以O1点为原点，T-PLANE的法线为Y轴，直线Z1为Z轴建立坐标系B1(图3)。根据二极磁铁的机械尺寸确定平移量，把 B1坐标系平移到磁铁上下极面间的中心位置，得到 B2坐标系即二极磁铁标定所需的磁铁坐标系。在坐标系 B2下测量磁铁顶面四个准直基准点则得到二极磁铁的标定值。

磁铁的下极面宽度(240 mm)相对于磁铁宽度(612 mm)过于狭窄，下极面测量误差稍大就会造成极大的标定误差。我们使用水准仪辅助跟踪仪测量磁铁下极面。首先用水准仪和工装调平磁铁下极面，然后跟踪仪测量水平面建立一个水平坐标系，测量下极面上的八个点。观察八个点中哪些点高程方向的测量值误差偏大，需重新测量，直到八个点的测量值基本在同一水平面内为合格。

图3 二极铁标定Fig.3 Fiducialization of a dipole.

2.2 二极磁铁标定精度分析

X向坐标标定误差=跟踪仪横向坐标差测量误差0.035 mm，Y向坐标标定误差=跟踪仪高程坐标差测量误差0.031 mm，Z向坐标标定误差=跟踪仪纵向坐标差测量误差0.035 mm。

可见使用跟踪仪标定θz误差太大，需改用其它方法标定。我们在二极磁铁顶面安装一块基准平板，用水准仪和工装调平二极磁铁的下极面后，用电子水平仪测量磁铁顶面基准平板的倾角，即磁铁在水平状态下滚动角θz的标定值。

2.3 四极磁铁标定方案

四极磁铁标定仪器为激光跟踪仪，四极磁铁的标定目标是在四极磁铁极头中心位置建立一个空间直角坐标系，得到磁铁顶面四个准直基准点的坐标值。

为找到四极磁铁Z向的中心轴线，我们制作了标定用的轴和轴瓦等工装(图4)。将轴和轴瓦架在四极磁铁下面的两个极头上，标定轴的中心轴线与四极磁铁Z向的中心轴线重合。跟踪仪测量标定轴的两端，用这两点建立磁铁的中心轴线Z-LINE。测量磁铁端面5个点，拟合得到E-PLANE。测量四极磁铁顶面四个点，拟合得到 T-PLANE。建立Z-LINE和E-PLANE的交点O，以Z-LINE为强制方向作Z轴，以T-PLANE的法线方向为Y轴，以O点为原点建立坐标系。根据四极磁铁的机械尺寸沿此坐标系的Z轴平移至磁铁极头中心位置，得磁铁坐标系。在磁铁坐标系下测量磁铁准直基准点得到磁铁的标定值。

图4 四极铁标定Fig.4 Fiducialization of a quadrupole.

2.4 四极磁铁标定精度分析

X向坐标标定误差0.046 mm, 式中，δgx=0.035 mm为跟踪仪横向坐标差测量误差，δacc=0.015 mm 为芯轴端部锥面同轴度，δtc=0.02 mm为轴瓦同轴度，δatf=0.015 mm为轴、瓦安装误差。

Z向坐标标定误差=跟踪仪纵向坐标差测量误差0.035。

六极磁铁标定方法与四极磁铁基本相同，只是六极磁铁的顶部焊有钢板无法作为测量基准，须在磁铁极头中间插入大理石平板测得T-PLANE(图5)。磁铁标定精度(X,Y,Z)分别为二级磁铁0.029、0.027、0.017 mm，四极磁铁0.012、0.013、0.019 mm，六级磁铁0.027、0.023、0.034 mm。

图5 六极磁铁标定Fig.5 Fiducialization of a sextupole.

3 标准单元安装准直方案

图6为安装好的标准单元，标准单元的预准直工作流程如下：(1) 用千斤顶支撑好支架并调整支架到水平，(2) 支架上安装B铁和共架板，(3) 在共架板上安装Q、S铁的位置调整机构，并用天车把Q、S铁安放到共架板上对应位置，(4) 标定磁铁，计算磁铁在支架上的理论位置，(5) 跟踪仪测量磁铁，粗调磁铁使其位置与理论值偏差在0.2 mm以内，(6) 安装真空盒，(7) 精调磁铁、真空盒到预准直要求的精度范围，(8) 用激光跟踪仪全面测量磁铁和真空盒上的准直基准点，生成数据文件，作为预准直调整结果的记录，(9) 把二极磁铁和共架板固定到支架上，固定时用跟踪仪监视磁铁、真空盒位置的变动，变动量应<0.2 mm。

图6 标准单元Fig.6 A standard cell.

标准单元设备的准直方案是以二极磁铁标定时所用的坐标系作为整个单元准直的坐标系，坐标轴方向如图 7。二极磁铁安装就位后不再调整，在二极磁铁坐标系下对其余设备的位置进行准直调整。这是因为二极磁铁的体积和重量都很大，不适合做精密调整，而它在Z方向上长度较长，用它定位其它设备可得到较高的控制精度。

图7 标准单元坐标系Fig.7 The coordinate system of the cell.

要对各设备作准直调整需要知道它们位置的理论坐标，各设备准直基准点的理论位置坐标由它们的标定值和相对于二极磁铁的位置关系计算出来的。六极磁铁和四极磁铁沿束流轨道相对于二极磁铁在水平面方向偏转一个角度，则它们的理论值计算公式为[3]：

其中，XX、YY、ZZ为标准单元坐标系下各设备坐标(理论值)，X、Y、Z为各设备准直基准点标定值，LMB为设备中心到二极磁铁磁场出口的距离，θB为束流经过二极磁铁的理论偏转角度，XBE为二极磁铁极头的中心到磁场出口的X向距离，ZBE为二极磁铁极头的中心到磁场出口的Z向距离。

考虑到加速器运行时二极磁铁通电会产生变形而导致束流偏转。因此，在预准直安装时预先将二极磁铁相对于其它设备偏转一个角度(经测量，偏转量为0.04 mrad)。二极磁铁的理论值为其标定值在磁铁坐标系下绕Z轴旋转0.04 mrad后的坐标值。

试验表明，温度对预准直调整有明显影响。在磁铁标定和预准直安装过程中采用磁吸式温度传感器测量记录各设备的温度数据，从中抽取五组有代表性的磁铁支架单元的温度测量数据和磁铁位置测量数据，计算出磁铁支架单元的线膨胀系数为1.144×10−5/℃。单元呈长方形，Z向受温度影响明显，需用这一系数对设备理论值的Z向坐标值进行温度补偿修正。

真空盒准直基准点在单元中的理论值坐标由机械设计人员给出，不需另作标定[4]。

在单元设备准直时，先将各设备准直基准点的理论值数据导入激光跟踪仪，测量二极磁铁的四个准直基准点，将测量值与二极磁铁的理论值数据相拟合，使跟踪仪得到二极磁铁的磁铁坐标系(即单元的预准直坐标系)。在此坐标系下用跟踪仪把其余设备准直到规定的位置限差。

标准单元的(X, Y, Z)预准直精度为：磁铁，0.031、0.026、0.038 mm；真空盒，0.309、0.3、0.436 mm。

4 结论

为保证预准直工程的胜利完成，我们制定了严格详细的工作规范，并对每一个单元建立质量跟踪卡，实施严格的工程质量管理。BEPCII建成后首次开机就实现了束流绕储存环轨道的成功运行，2009年7月BEPCII顺利通过国家验收，充分证明预准直工程是成功的。

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

2 陈文军, 满开第, 王少明, 等. 核技术, 2010, 33(1):65–68 CHEN Wenjun, MAN Kaidi, WANG Shaoming,et al.Nucl Tech, 2010, 33(1): 65–68

3 陈佳洱. 加速器物理基础. 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 门玲鸰, 康 玲, 辛洪兵, 等. 机械工程师, 2005, (10):104–106 MEN Lingling, KANG Ling, XIN Hongbing,et al. Mech Eng, 2005, (10): 104–106