正负电子对撞机重大改造工程设计方案.doc

正负电子对撞机重大改造工程设计方案1.1 北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)北京正负电子对撞机1（Beijing Electron-Positron Collider，简称BEPC）由束流能量为1.3 GeV的对撞加速器、束流输运线、束流能量为1-2.8 GeV的储存环、安装在南对撞区的探测器北京谱仪（Beijing Spectrometer，简称BES）和北京同步辐射装置（Beijing Synchrotron Radiation Facility，简称BSRF）组成，如图1.1所示。图1.1 北京正负电子对撞机BEPCII是北京正负电子对撞机（BEPC）的二期改造工程2，它将在现有储存环的基础上再增加一个新的储存环，从而成为一个“工厂”型的正负电子对撞机。BEPCII建成后，它将能够提供质心能量从1.0 GeV 2 到 2.1 GeV 2的对撞束流供高能物理实验之用，同时也能提供2.5 GeV 的同步辐射专用束流。对于对撞模式，其亮度 (Luminosity) 优化在1.89 GeV ，相应的亮度为11033 cm-2s-1，是目前BEPC亮度的100倍。对于同步辐射专用的模式，它的设计流强为250 mA，发射度为120 nmrad，与目前的同步辐射专用模式（3.2 GeV，最大流强110130 mA，发射度80 nmrad）相比，它的亮度（Brightness）与BEPC的相当，而硬度比BEPC的高。采用双环方案改造后的北京正负电子对撞机的亮度是美国康奈尔大学对撞机设计亮度45的3至7倍，将在世界同类型装置中继续保持领先地位。 预计BEPCII的科学寿命为12年以上。中国科学院高能物理研究所和北京正负电子对撞机国家实验室将成为国际知名的高能物理实验基地。 1.2 储存环真空室结构设计1.2.1 真空室结构设计思想真空室结构设计，顾名思义就是真空室几何形状的确定。它是真空室设计的一个重要方面。在整个设计过程中占有很大的比重。真空室设计的最终结果是以一定的结构形式表现出来的，按所设计的结构进行加工、装配，制造成最终的产品。所以，真空室结构设计应满足多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善其受力，提高其强度、刚度、精度和寿命。因此，真空室结构设计是一项综合性的技术工作。由于结构设计的错误或不合理，可能造成不应有的失效，使其达不到物理和真空设计的要求，给整个工程系统造成很大的影响。真空室既是束流的载体，又是与诸如真空泵、束流监测器、磁铁等设备紧密相连的接口，是加速器的基础部件。在设计真空室时，除了要满足真空方面的性能要求外，还要满足物理设计的要求。为了减小光电子和二次电子与正电子束的相互作用以及提高系统的真空度，弧区真空室横截面分成二个区，一个区是束流通道，另一个区是前室真空区，束流空间与由同步光激发的光电子所在的前室通过狭缝分开。由于在前室真空室里的光电子远离了正电子束，因此电子云对正电子通道的影响也减小。同时，光子激发产生的大量气载也位于高抽速的真空泵附近，可以有效地抑制同步辐射光产生的动态气载。真空室应用于储存环中，每一段结构设计的内容和要求有所不同，但都有相同的共性部分。下面就真空室结构设计的不同层次来说明对结构设计的要求。根据真空室结构设计的任务和特点应注意所设计的部件在整体中所起的作用，把握结构设计特点，力求结构完善。一般真空室结构件的结构要素包括结构件的几何形状、结构件之间的联接和结构件的材料及热处理方式。了解结构要素和设计方法，将两者密切地结合起来进行功能设计、质量设计、提高真空室的质量和性能价格比，满足整个系统工程的功能要求。如：真空室为束流载体的工作原理的实现，真空室与系统其它设备配合工作的可靠性，真空室工艺、材料和装配等方面。兼顾各种要求和限制，它是储存环真空室工程设计的特征。 1.2.2 储存环真空室的历史、现状真空室材料的选择，参考国外和国内相关领域的经验，不锈钢与铝合金作为储存环真空室的两种主要材料得到广泛应用。随着加速器技术的发展，真空工作者对这两种材料的工艺性能、真空性能进行了详细实验研究1213，使这两种材料用于加速器超高真空领域的生产、加工、表面处理等工艺日趋成熟。北美与亚洲倾向于采用铝合金材料，而欧洲则倾向于采用不锈钢材料。在选择材料时，首先考虑到国内现有工艺条件及制造经验，同时考虑到经济实力问题。与此同时还要了解所选材料的力学性能、加工性能、成本等信息1415。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则 1617。90年代，美国SLAC、日本KEK进行将无氧铜应用于储存环真空室的工艺研究，在SLAC的对撞机及KEK的对撞机上采用了无氧铜作为真空室主体材料1819。90年代后期，在新的Spear3的设计建造中，在储存环中首次采用无氧铜作为真空室的主要材料20，这将大大有利于降低动态气载并提高真空室的运行稳定性。在国内，上海光源21的预研过程已决定采用铝合金作为真空室主体材料并进行了一系列的研究分析，高能所在工程设计讨论中也决定采用铝合金作为真空室材料。铝合金材料作为储存环真空室的主要材料之一，其真空室的结构设计、加工工艺随着加速器技术及工业技术的发展而不断发展。CERN的LEP对撞机在拉制成型的铝合金真空室外表面包裹一层铅层以屏蔽辐射对储存环部件的损伤。在SPring8及APS光源拉制成型的真空室结构设计中采用了侧排气室结构。80 年代末期铝合金机械加工成型真空室结构的出现，使储存环铝合金真空室的发展前进了一大步。该结构最早在ALS光源设计中被提出，并被使用，后来又在TLS、PLS、SSRF光源中被采用。它是用厚铝合金板经机械加工分别制成真空室上、下片，再沿周边焊接，形成整体真空室。1.3 有限元法应用现状1.3.1 有限元法的思想有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状因此可以模型化几何形状复杂的求解域。“有限元法”这一名称是1960年美国的Clough R W在一篇名为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。40年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。迄今为止，有限元法除了发展其自身的理论和方法外，还外延到其它领域。如：随机有限元法。由于计算机的飞速发展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。通过有限元分析，设计人员能够了解零件中最危险的位置和应力的分布规律。1.3.2 有限元法发展与应用60年代起，我国著名数学家冯康等人就开始了有限元方面的理论研究，80年代这一领域的工程化应用渐渐在国内开始，先后出现了SAP、SDINA等有限元软件。有限元法对构件进行分析计算具有许多优点，应用前景十分广阔，它不仅在工业界各个领域的产品设计中占有举足轻重的地位，近来在日用消费品设计方面的优势也已显著。目前，有限元法在国内外已广泛应用在核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。本论文采用ANSYS的强大功能，对所研究的真空室进行了一系列的分析研究。1.3.3 有限元软件ANSYS的特点ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，同样可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热-结构耦合、磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合。(1) 用户界面尽管ANSYS程序功能强大，涉及范围广，它友好的图形用户界面（GUI）及优秀的程序构架。基于MOTIF标准的易于理解的GUI。通过GUI可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步一步地完成整个分析。(2) 图形完全交互式图形是ANSYS程序中不可分割的组成部分，图形对于校验前处理数据和在后处理中检查求解都是非常重要的。它的powetgraphics能够迅速地完成ANSYS几何图形及计算结果的显示。(3) 处理器按功能作用可分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求解器、两个后处理器、几个辅助处理器如设计优化器等。(4) 数据集ANSYS程序使用统一的集中式数据来存贮所有模型及求解结果。(5) 文件格式文件可用于将数据从程序的一部分传输到另一部分、存贮数据以及存贮程序输出。这些文件包括数据库文件、计算结果文件、图形文件等等。(6) 程序的可用性异种异构平台的网络浮动。第一章 对撞段真空管结构设计11 储存环真空系统分析对于储存环来说束流寿命和稳定性十分重要，被储存的粒子与残余气体分子相互作用将导致粒子损失并引起探测器性能不稳定，因此在真空系统设计时计算需要的压力是必要的65。在储存环真空系统中引起压力上升的原因除了材料的热放气外，主要是来自于同步辐射光打在真空室内壁上引起的光子解吸。对于BEPCII，为了达到设计亮度，要求正负电子环的流强各自都达到0.91 A，能量为1.89 GeV。在高流强的电子储存环中，粒子在弯转时沿切线方向产生同步辐射光，高能量的光子打在真空室上将引起真空室温度和压强上升。这样就限制了束流寿命。因此，储存环的抽气系统必须能达到需要的真空度。 另外，真空系统设计表明为了减少光电子不稳定性，真空室制造成带前室的结构是必要的，并且真空室内表面要镀氮化钛，以减小二次电子产生率。11 .1真空物理要求对于BEPCII储存环真空系统来说，基本的真空物理要求是：(1) 储存环的动态压強优于510-9 Torr，满足由于残余气体与被储存的粒子相互作用导致的束流寿命大于15 hrs的要求 (E = 1.89 GeV，I = 0.91 A)；当束流开始储存时，好的束流寿命能很快达到；(2)(3)(4) 系统某一区段暴露大气后，能较快地恢复真空；(5)(6)(7) 真空室内壁应尽可能地光滑，以减小阻抗；(8)(9)(10) 真空室应有好的冷却方式，以消除同步辐射和高次模损失产生的热负载。光子吸收器能够把同步辐射光屏蔽掉，以免其它的部件受到损伤。112 真空系统特点BEPCII是由BEPC单环发展成正负电子双环，仍然要使用BEPC原有的隧道空间，同时要考虑到充分利用BEPC原有磁铁、插入件和同步辐射光束线，因此在BEPCII储存环真空系统设计中有了许多新特点：为了减小光电子和二次电子对正电子束的影响，要求正电子环弧区真空室制造成带有前室的真空室，以便增加同步辐射光产生的光电子和二次电子与正电子束间的距离，减小它们之间的相互作用。(1) 由于铝真空室表面固有的氧化层，在铝真空室表面产生的二次电子数要比大多数金属高35倍，因此在正电子环束流通道内表面镀氮化钛，以减小光电子倍增产生的电子云对正电子束的影响。(2) 考虑到正负电子环非常紧张的安装空间，正负电子真空室之间的距离仅为1.1 m，又为了方便束流位置探头标定和正电子环真空室镀氮化钛，正负电子环的真空室制造成三米长。(3) 在同步辐射模式下，正电子环的半环有负电子通过，运动方向与正电子方向相反，产生的同步光也相反，需要用光子吸收器把所有无用的同步光挡住。因此在正负电子环真空室上安装大量的垂直光子吸气器，避免同步光直接打到波纹管、真空室和法兰焊缝处。同时在光子吸收器的上下安装真空泵，能有效地抽除同步辐射光产生的气载。(4) 在对撞区，由于非常有限的空间，需安装抽速大、体积小的NEG泵，以减少束流与残余气体相互作用产生的探测器本底。1.2 储存环单元结构BEPCII储存环是由正电子（e+）环和负电子（e-）环组成，周长都是237.53 m，两环束流中心距离是1.179 m。它们在南北两点交叉，距离是65.83 m，在南交叉点进行对撞，该处安装北京谱仪 (BESIII)。在北交叉点通过旁路管道将正电子环和负电子环的外半环连在一起，形成一个外环供同步辐射专用模式使用，周长是241.13 m，其形状像一个跑道，长轴是76 m，短轴是66.18 m。我们这里所设计的对撞真空管为上图正电子环其中的一个对撞段的对撞段真空管。BEPCII储存环是由许多单元组成，每个单元是由支架、二极磁铁（B铁）、四极磁铁（Q铁）、六级磁铁（S铁）、真空室、束流位置探头（BPM）、光子吸收器、真空泵等设备组装而成。真空室装配结构图BEPCII外环使用原BEPC二极磁铁，内环用新做的二极磁铁。为了实现BEPCII正负电子环对称、南北对称，考虑到BEPC隧道空间的限制，直线节较短，经仔细研究与设计，决定正、负电子环的弧区采用前室真空室，真空室总体结构是根据储存环磁聚焦结构设计、光束线前端设计、真空系统总体设计及相关系统结构设计确定的。四极磁铁和六极磁铁全部新做。在BEPCII南、北对撞区和正负电子注入区采用原BEPC四极铁并进行线圈改造。根据BEPCII的Lattice特性，内环、外环两相邻B铁出口与入口之间的直线节长度都是1702.55 mm，但由于外环B铁（旧磁铁）线圈较长，因此外环两相邻B铁之间的有效使用长度比内环两相邻B铁之间的有效使用长度短大约94 mm。 故我们对于正负电子环上各束流设备的布置，全部按有效直线节短的外环进行研究与设计。真空室受到储存环其它各空间设备限制，其外形状如图2.2所示。满足真空室物理和真空设计要求的情况下，对储存环束流线上各设备的最大外形尺寸进行了限制，由于空间限制，所以希望束流线上各设备尺寸越小越好。对新做二极铁的尺寸要求是：上下极头间隙最小为67 mm，上下线圈之间的最小距离是110 mm，线圈长度最大为1605 mm，形状为C型，模型与工程图如图1.4和1.5所示。二极磁铁极头图1.4新环弯转磁铁三维图 图1.5 新环弯转磁铁工程四极磁铁极头对新做四极铁的尺寸要求是：内接圆直径最小是105 mm，上下极头的最小气隙是35 mm，上下线圈的最小距离是64 mm，铁芯内侧距磁铁中心最小是320 mm，线圈外部长度最大是422 mm，如图2.5和2.6。对新做六极铁的尺寸要求是：内接圆直径最小是130 mm，上下极头的最小气隙是35 mm，上下线圈的最小距离是40 mm，铁芯内侧距磁铁中心最小是320 mm，线圈外部长度最大是200 mm，其模型与工程图如图1.6和1.7所示。四极磁铁极头图1.6四极磁铁的三维图 图1.7四极磁铁的工程图六极磁铁极头图1.8六极磁铁三维图 图1.9六极磁铁的工程图对新做BV校正铁的尺寸要求是：上下线圈之间的最小距离是70 mm，开口端到磁中心的最大距离是160 mm，屏蔽板（包括屏蔽板厚度）之间的距离是162 mm，形状为C型。其模型如图2.9所示。图1.10校正磁铁三维图1.3 对撞段真空管结构设计思想对撞段真空管结构设计，顾名思义就是对撞段真空管几何形状的确定。它是对撞段真空管设计的一个重要方面。在整个设计过程中占有很大的比重。对撞段真空管设计的最终结果是以一定的结构形式表现出来的，按所设计的结构进行加工、装配，制造成最终的产品。所以，对撞段真空管结构设计应满足多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善其受力，提高其强度、刚度、精度和寿命。因此，真空室结构设计是一项综合性的技术工作。由于结构设计的错误或不合理，可能造成不应有的失效，使其达不到物理和真空设计的要求，给整个工程系统造成很大的影响。14 对撞段真空管结构设计基本要求对撞段真空管既是束流的载体，又是与诸如真空泵、束流监测器、磁铁等设备紧密相连的接口，是加速器的基础部件。在设计对撞段真空管时，除了要满足真空方面的性能要求外，还要满足物理设计的要求。为了减小光电子和二次电子与正电子束的相互作用以及提高系统的真空度，弧区真空室横截面分成二个区，一个区是束流通道，另一个区是前室真空区，束流空间与由同步光激发的光电子所在的前室通过狭缝分开。由于在前室对撞段真空管里的光电子远离了正电子束，因此电子云对正电子通道的影响也减小。同时，光子激发产生的大量气载也位于高抽速的真空泵附近，可以有效地抑制同步辐射光产生的动态气载。对撞段真空管应用于储存环中，每一段结构设计的内容和要求有所不同，但都有相同的共性部分。下面就对撞段对撞管结构设计的不同层次来说明对结构设计的要求。根据对撞段真空管结构设计的任务和特点应注意所设计的部件在整体中所起的作用，把握结构设计特点，力求结构完善。一般对撞段真空管结构件的结构要素包括结构件的几何形状、结构件之间的联接和结构件的材料及热处理方式。了解结构要素和设计方法，将两者密切地结合起来进行功能设计、质量设计、提高对撞段真空管的质量和性能价格比，满足整个系统工程的功能要求。如：对撞段真空管为束流载体的工作原理的实现，对撞段真空管与系统其它设备配合工作的可靠性，对撞段真空管工艺、材料和装配等方面。兼顾各种要求和限制，它是储存环对撞段真空管工程设计的特征。15对撞段真空管结构设计基本准则 对撞段真空管的设计主要目的是为了实现预定的物理与真空系统的功能要求，因此实现预期功能的设计准则是对撞段真空管结构设计首先考虑的问题。要满足功能要求有强度要求的设计准则，满足结构刚度的设计准则，束流室表面光滑的设计准则，考虑加工工艺的设计准则，考虑装配的设计准则，考虑造型设计的准则，设计不仅要满足功能要求，而且还应考虑造型的美学价值。16 对撞段真空管的材料储存环真空室材料的选择需要考虑多方面的因素，如强度、真空性能、稳定性、加工性能以及造价等，储存环真空室一般采用的几种材料的相关性能如表2-4所示。(1) 强度。BEPCII的磁聚焦结构设计和标准单元布局、束流位置稳定性以及高功率热负载等均要求真空室具有高强度，材料分析表明不锈钢强度最高，其次为高强度铝合金、无氧铜，而掺杂铜具有很高的高温机械强度。(2)(3)(4) 导磁性能。储存环物理要求真空室需要有非常低的导磁率，以避免对磁场产生干扰。不锈钢导磁率比较低，在加工中容易磁化，如果选择了这种材料，加工后需要退磁处理。铝合金及无氧铜均为无磁材料，超低碳不锈钢也具有很低的导磁率。(5)(6)(7) 阻率。采用高频校正磁场来进行束流反馈校正，其在真空室材料中激发的涡流会减弱校正场的作用。不锈钢因其低的电阻率，是较为合适的材料，但从另一个角度来看，其大的阻抗壁将会降低束流不稳定性的电流阈值。(8)(9)(10) 热稳定性。不锈钢与无氧铜有较低的热膨胀系数，可以提高束流位置探测器（BPM）的稳定性，同时减小所需波纹管的伸缩范围。(11)(12)(13) 传导性。低的热传导性将使得储存环的允许安全运行电流受到限制，另外在正常运行中将使得真空室的冷却效果差，局部温升高，造成变形严重，同时也会增加局部的热出气率。(14)(15)(16) 辐射屏蔽性。铝合金主要成份原子序数低，辐射屏蔽性能差，在吸收器区域需要设置屏蔽材料以避免对附近元件的辐射损伤。(17)(18)(19) 真空性能。经烘烤后铝合金、无氧铜与不锈钢的气体热解吸性能近似，但铝合金与无氧铜允许的烘烤温度低（150C），加之导热性高，所需的烘烤设备与工艺简单。机械加工的无氧铜光激发气体解吸产额最低，虽然铝合金在运行初期的光激发解吸产额比不锈钢高50150 倍，但随着运行累积剂量的增加，两者逐渐趋于一致。(20)(21)(22) 工艺性能。不锈钢真空室一般采用板材成型后焊接而成，材料焊接性能好，真空室体可以直接与标准不锈钢件焊接，无须采用价格昂贵的过渡材料。铝合金机械加工成型真空室制造精度高，通过对焊接工艺的控制，也可以得到高质量的焊缝，但铝合金法兰对工艺要求很高，可靠的方法是使用过渡材料。无氧铜真空室的焊接需要使用电子束焊或钎焊，对于大型盒状真空室需要有大型焊接设备，法兰需要过渡到不锈钢材料。(23)(24)从各方面的性能综合比较，无氧铜是最适合用于储存环真空室的材料，但由于价格高、大型超高真空室加工工艺复杂，一般制造条件难以满足其要求。根据对国外同类装置的比较分析，结合国内的生产工艺条件，决定储存环真空室采用铝合金材料，型号为A5083-H321。该材料是不可热处理强化的铝镁合金，经预拉伸及稳定化处理消除残余应力，具有良好的机械加工性能和焊接性能，且加工、焊接变形较小。对撞段真空管材料的选择，参考国外和国内相关领域的经验，不锈钢与铝合金作为储存环真空室的两种主要材料得到广泛应用。随着加速器技术的发展，真空工作者对这两种材料的工艺性能、真空性能进行了详细实验研究，使这两种材料用于加速器超高真空领域的生产、加工、表面处理等工艺日趋成熟。北美与亚洲倾向于采用铝合金材料，而欧洲则倾向于采用不锈钢材料。在选择材料时，首先考虑到国内现有工艺条件及制造经验，同时考虑到经济实力问题。与此同时还要了解所选材料的力学性能、加工性能、成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。铝合金材料作为储存环对撞段真空管的主要材料之一，其对撞段真空管的结构设计、加工工艺随着加速器技术及工业技术的发展而不断发展。80 年代末期铝合金机械加工成型对撞段真空管结构的出现，使储存环铝合金对撞段真空管的发展前进了一大步。它是用厚铝合金板经机械加工分别制成对撞段真空管上、下片，再沿周边焊接，形成整体对撞段真空管。根据对国外同类装置的比较分析，结合国内的生产工艺条件，决定储存环对撞段真空管采用铝合金材料，型号为A5083-H321。该材料是不可热处理强化的铝镁合金，经预拉伸及稳定化处理消除残余应力，具有良好的机械加工性能和焊接性能，且加工、焊接变形较小。储存环对撞段真空管材料的选择需要考虑多方面的因素，如强度、真空性能、稳定性、加工性能以及造价等，储存环对撞段真空管一般采用的几种材料的相关性能如表1-1所示表1-1对撞段真空管的材料材料铝合金A5083-H321主要成份原子序数13密度（g/cm）2.66泊松比0.33热传导系数25（w/m）117比热（J/Kg）900线膨胀系数（10m/m）23.8熔点（）591扬氏模量（104 N/mm）7.03抗拉强度（N/ mm）315抗拉屈服强度（N/ mm）230屈服强度（N/ mm）16017 对撞段真空管工艺类型储存环铝合金对撞段真空管有两种主要加工工艺类型，其一是拉制铝合金型材弯曲类型，其二是板材机械加工焊接类型。由于储存环对撞段真空管弯转半径小、角度大，采用型材弯曲成形易造成较大尺寸误差，且难以保证对撞段真空管间的一致性，而机械加工焊接类型能够保证高精度对撞段真空管尺寸，且对撞段真空管强度高。在对对撞段真空管结构要求进行一系列分析的基础上，参考国外相似现有对撞段真空管主要工艺类型，结合国内铝合金部件加工工艺状况，确定储存环对撞段真空管采用机械加工焊接工艺类型。对撞段真空管主体由上下两片组成，单片对撞段真空管零件由整块板材通过机械加工方法形成内外表面，上下两片扣合后沿侧面轮廓对焊形成整体对撞段真空管结构，其横截面如图所示。图1.11储存环对撞段真空管横截面18 影响真空室设计的物理因素分析储存环物理设计是真空室设计的根本前提，在物理设计中对真空室的设计提出了各种直接的及间接的要求，同时物理设计及由其确定的相关硬件系统设计对真空室的选型、结构设计提出了各种限制条件。真空室的设计是在保证物理设计要求，并与各相关系统不断相互协调下进行的。在进行真空室设计中，明确与储存环真空室相关的各类基本物理关系与要求是十分必要的，同时也是真空室设计研究的基础。181 束流通道尺寸束流通道截面尺寸是真空室结构设计中需要首先确定的重要参数，该尺寸是综合考虑了束流清晰区尺寸、真空室的加工公差与安装误差、磁铁造价及纵向气体流导等多种因素后确定的。束流清晰区被定义为束流在储存环中循环运行而不受阻挡的最小空间范围。物理设计中束流清晰区定为长轴96mm、短轴为42mm的椭圆区域如图2.10所示，束流清晰区是束流通道尺寸确定的最重要因素2。图2.10 束流清晰区182 阻抗和束流不稳定性在BEPCII改进中，总流强强度及其稳定性是非常重要的课题。真空室的阻抗和由单束集体效应引起的各种束流不稳定性对物理设计有很重要的影响。由于BEPCII与目前世界上已建成的粒子工厂型对撞机如KEKB57，PEPII58，和DAFNE59 的设计指标相比总流强及单束团粒子数相当（见表2-1），因而需对单束团不稳定性暨束团长度拉伸问题和多束团耦合不稳定性作仔细研究并加以抑制，以保证实现BEPCII的高亮度指标。与KEKB和PEPII相比，BEPCII的单束团流强较高，束团数目较少。这意味着BEPCII中单束团效应相对较严重，必须严格控制宽带阻抗。物理设计首先从束流稳定性角度对阻抗提出限制，然后对那些可能产生较大阻抗的主要真空部件的阻抗作计算，并给出全环的阻抗预算。对真空部件作阻抗计算和利用束流测量的结果都表明，目前BEPC储存环的纵向耦合阻抗约4 W 60，比BEPCII的阻抗阈值大很多。因此在BEPCII工程中必须设计低阻抗的真空室，尽量屏蔽真空室壁上的不连续结构。表2-1 BEPCII与其它对撞机的束流强度比较BEPCIIPEPII (LER)KEKB (LER)DAFNE单环流强 (mA)910214026005200单束团粒子数 (1010)4.855.93.28.9单束团流强 (mA)9.81.290.5244束团间距 (m)2.41.30.60.8束团数目9316585000120需要注意的是，阻抗除了引起束流不稳定性之外，还会导致束流的寄生模能量损失（parasitic loss），引起真空室局部发热。BEPCII的束团长度将控制在1.5 cm，这时束团的频谱将覆盖到阻抗的高频成分，由束流在真空室部件中感应的高次模功率将很大。高次模可能被俘获（trapped-mode）在真空室中几毫米量级的不连续结构，如束流位置探测器（BPM）处，以及对撞区的同步阻挡块之间，引起多束团不稳定性和高次模发热。因此除了尽可能减小各真空室部件的耦合阻抗外，还必须避免有可能导致俘获高次模的真空室不光滑结构。BEPCII储存环中对纵向宽带阻抗有主要贡献的真空部件是高频腔、BPM、波纹管、真空抽气孔、法兰、双环交叉的“Y”型结构，以及束流准直器（collimator）等。在BEPCII方案中，这些部件将尽可能参照当前国际先进设计以减小阻抗。物理设计时利用解析公式和数值计算程序ABCI、MAFIA对BEPCII的主要真空部件的阻抗和损失参数作了计算，给出BEPCII的阻抗预算表。由于BEPCII是在BEPC基础上的改进，计算了目前BEPC的一些真空部件对应BEPCII束流参数时的损失参数，物理设计说明对其进行改进的必要性及可能性。19 对撞段真空管结构设计对撞段真空管总体结构是根据储存环磁聚焦结构设计、光束线前端设计、真空系统总体设计及相关系统结构设计确定的。主要依照二极磁铁（弯转铁）、四极磁铁、六极磁铁的布局来进行分段设计。再依据对撞束流及同步辐射专用束流形状，考虑制造工艺的可行性，在保证同步辐射不会对对撞段真空管形成额外热负载情况下，确定了对撞段真空管外轮廓形状，对撞段真空管之间用波纹管连接。根据物理对束流清晰区的要求、引出光狭缝尺寸的要求以及磁铁结构设计的限定，并且考虑到加工制造上的限制，确定对撞段真空管形腔截面形状如图1.12所示：图1.12对撞段真空管内腔截面(一) 前排气室带电粒子束流在储存环中运动发出同步光，光子打在对撞段真空管壁上产生光电子，光电子在束流电场中获得能量，被束流加速可能打在管道的另一内壁上而导致二次电子产生。二次电子的产额与电子能量以及管道材料有关。同步光打在前室末端壁上产生光电子，从前室中逃逸出的光电子数目将按照出射角度正弦规律变化。有前室的真空室，大部分同步光直接打在前室内，光电子大部分在前室中产生，能从前室中逃逸出的光电子都具有较大水平速度，否则它将丢失在前室内。因此，在电子云分布中可以发现，前室中的电子云密度较大，而在束流对撞段真空管道中密度大的区域更多的位于水平轴附近。改变二次电子产额，结果表明当二次电子产额增加后，电子云中心密度迅速增加。所以得出，利用增大前室宽度可以降低电子云密度，前室宽度增大到其高度的5倍时，电子云平衡线密度降低2-3倍，中心体密度降低了5倍，但其宽度尺寸根据各磁铁布局沿真空室纵向变化，为真空室抽真空主要排气通道，采用前室型对撞段真空管，将在很大程度上降低光电子产额。(二) 引出光狭缝位于束流室与排气室间，为狭窄区域，用于引出同步辐射高频隔离束流室与排气室，并由此对束流室排气。经物理计算，要求侠缝高度为15mm(如图1.12)(三) 束流室区物理设计给出的束流清晰区极限尺寸为水平方向96mm，垂直方向42mm。考虑到对撞段真空管在大气压下的变形、制造及安装误差等因素，在束流清晰区与对撞段真空管物理孔径之间必须保留一定空间，由此确定束流通道物理尺寸为：水平方向108mm，垂直方向52mm。为了减小加工工艺难度，保证表面质量，同时简化束流位置探测器结构，将束流室截面形状设计成八边形，恰好够容纳BPM 组件，其强度也比其他形状（如跑道型截面）高。该束流室横截面形状沿束流轨道方向在每一段单元对撞段真空管内部均保持一致（插入件对撞段真空管除外）如图1.12所示。(四) 对撞段真空管的厚度与强度考虑到磁铁及其线包间距、真空室壁上螺栓孔及对撞段真空管总体强度，储存环对撞段真空管盒体总厚度定为100mm。由于内腔结构及外部各区域轮廓形状的不同，对撞段真空管体上下壁厚度在不同区域相差较大，局部区域最小对撞段真空管壁厚度仅为4mm（与六极铁极头对应处）。虽然局部壁厚很小，对撞段真空管跨度很大，由于磁铁槽间的间隔的存在，实际上起到了加强筋的作用。所以强度可以保证.(五) 对撞段真空管与磁铁系统元件的设计为提高对撞段真空管的强度，减小对撞段真空管在真空状态下由于大气压引起的对撞段真空管凹陷变形，同时为吸收器的设计留有一定的垂直空间位置，将对撞段真空管的总厚度设计为100mm，分上下两片，每片厚度50mm。由于对撞段真空管总体厚度大于磁铁极头气隙及四极铁、六极铁的线包间距，在对撞段真空管的设计中，在对撞段真空管上对应于各磁铁的位置按照磁铁铁芯、线包的尺寸并留有一定的间隙加工合适的凹槽，使得磁铁的铁芯、线包与对撞段真空管相适应，凹槽的尺寸依据磁铁的纵向、横向尺寸来设计。1.横向。对撞段真空管上机加工凹槽轮廓形状与相应的磁极及线包形状相适应。凹槽轮廓截面分四种形状，分别对应于储存环上四种磁铁，即二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁。设计中，在保证对撞段真空管外壁与磁极间有足够的间隙以容纳对撞段真空管的制造误差并方便安装的情况下，尽量减小磁铁孔径以降低磁铁造价。设计的最小间隙为3mm。四极磁铁处截面如图1.14所示。六极磁铁处截面如图1.15所示。图1.14对撞段真空管的新四极铁处截面图图1.15对撞段真空管的新六极铁截面图2.纵向上。对撞段真空管凹槽纵向尺寸主要取决于相对应的各磁铁的纵向尺寸，除了要保证安装间隙大于5mm外，同时要考虑烘烤过程中对撞段真空管将以固定点为原点沿纵向向两侧伸长，依据对烘烤过程中对撞段真空管变形的计算分析结果，进行对撞段真空管上磁铁槽纵向尺寸设计。各磁铁槽相对于磁铁中心为非对称结构，其中靠近固定支撑点一侧留有对撞段真空管运动空间，保证其纵向边缘与磁铁间距在整个烘烤过程中大于5mm，以避免两者之间发生相互干涉。由于相对于固定支撑点的距离不同，各磁铁槽预留的空间尺寸各不相同。在远离固定支撑点一侧仅需按静态状况留出足够间距。这样可以使得磁铁槽间保留的隔断尽量宽，对对撞段真空管的强度有利。(六) 对撞段真空管的烘烤结构 为了降低热出气率，迅速达到超高真空状态，需对对撞段真空管进行150真空烘烤。目前设计采用电加热器烘烤方案，根据对撞段真空管与磁铁的空间位置关系，沿对撞段真空管外侧壁或外侧上下面设计有加热器固定螺孔用于固定条形加热器。(七) 焊接结构设计由于设计中选材及成型工艺要求，铝合金超高真空焊接是储存环对撞段真空管制造中的一个关键工艺，而焊接结构设计是保证焊缝密封性能减小焊接变形的关键。对撞段真空管焊接结构设计如下：由于铝合金焊接中容易出现裂纹、气孔等焊接缺陷，易产生真空泄漏，加之对撞段真空管管体庞大，结构复杂，为确保一旦出现泄漏时可以进行方便的补焊，在对撞段真空管设计中未按照常规超高真空工艺要求采用内焊工艺，而是全部焊缝采用外焊结构设计。为了避免外焊可能形成的内部封闭空间，减小夹缝气源，在焊缝内部开设排气槽，同时在选择焊接参数时保证能够尽量形成穿透焊接。铝合金材料热传导率高，热影响区域大，为减小焊接中高热量输入，减小热变形，设计采用凸出薄焊嘴型焊缝工艺结构，如图1.17所示。另外，一旦发生焊缝泄漏时，可以方便地剔除局部材料，为补焊留出余量。对撞段真空管端部与法兰颈部间均采用与侧壁相同的凸嘴型焊接结构，端面与侧面及法兰颈间均采用大园角过渡方案，以利于焊缝间的自然过渡，防止在直角焊缝搭接处形成泄漏。图1.17 焊接边191 设计的基本性能要求 在储存环物理和真空设计总的基础上，综合两者的要求考虑，对真空室提出了如下机械性能要求：(1)对撞段真空管在未抽真空状态下的形状、尺寸、精度、表面粗糙度等应满足工程设计图纸中的各项要求。(2) 对撞段真空管在总装完成后，内部处于真空状态下（10Torr）, 对撞段真空管上下壁最大凹陷变形各小于0.6mm。(3)机械尺寸满足与相关系统间的配合关系要求，真空室平面度0.6mm，束流室内表面粗糙度0.8m。B铁段弦长误差小于0.3mm。(4)焊缝表面均匀、光洁，无夹渣、气孔及焊瘤，焊缝以外无烧熔斑点。(5) 对撞段真空管外表面光洁、美观，无污染及操作。(6)法兰密封面不得有任何操作、划痕。第二章 对撞段真空管建模及绘图21 Solidworks2007概述 Solidworks2007是Windows原创的三维实体设计软件，全面支持微软的OLE技术。它支持OLE2.0的API后继开发工具，并且已经改变了CAD/CAE/CAM领域传统的集成方式，使不同的应用软件能集成到同一个窗口，共享同一数据，以相同的方式操作，没有文件传输的烦恼。“基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统”贯穿于设计、分析、加工和数据管理整个过程。Solidworks因其在关键技术的突破、深层功能的开发和工程应用的不断拓展，而成为CAD市场中的主流产品。Solidworks内容博大精深，基本涉及平面工程制图、三维造型、求逆运算、加工制造、工业标准交互传输、模拟加工过程、电缆布线和电子线路等应用领域。Solidwokrs 可充分发挥用三维工具进行产品开发的威力，它提供从现有二维数据建立三维模型的强大转换工具。Solidworks 能够直接读取DWG格式的文件，在人工干预下，将 AutoCAD 的图形转换成Solidworks三维实体模型。另一方面，Solidworks 软件对于熟悉Windows的用户特别易懂易用，它的开放性体现在符合Windows标准的应用软件，可以集成到Solidworks软件中，从而为用户提供一体化的解决方案使用、这套简单易学的工具，机械设计师能快速、方便地按照其设计思想绘制草绘及三维实体模型；在设计过程中，可运用特征、尺寸及约束功能，准确制作设计模型，并绘制出详细的工程图；根据各零件间的相互装配关系，可快速实现零部件的装配，完成总体设计任务。Solidworks功能强大，能够完成机械设计过程中所有的设计任务，其基本常见的功能如下：(1) 特征是Solidworks中的重要概念和功能，是指各种零件上单个的加工形状，当将他们组合起来时就形成各种零件。如零件上的结构要素凸台、凹槽、倒角、圆角、各种孔、加强筋等都是Solidworks意义下的特征。(2) 三维实体建模在Solidworks中，根据人们的习惯，可以先直接生成三维实体模型，然后根据工程要求，生成实际生产中所需要的工程图、二维平面图。(3) 关联性在Solidworks中，零件模型、用这些零件装配形成的装配体以及它们的工程图是相互联系在一起的，对零件模型的修改，会影响装配体中相应的该零件的形状或尺寸。同样，对装配体中某个零件的修改或对工程图进行的修改，会反馈到相应的零件模型中。(4) 尺寸驱动在建立零件模型是，与零件草图几何体相关的尺寸、与特征自身相关的尺寸可以被Solidworks系统自动记录，并与模型一起保存，对这些尺寸进行修改，可以驱动模型按设计人员的设计意图产生相应的改变。(4) 约束性在Solidworks中，可利用平行、垂直、固定、水平、竖直、同心、重合及指定距离等几何关系，对草图中的几何要素、装配体中的零件进行约束，以实现设计人员的设计思想。也可以使用方程式建立参数之间的数学关系，约束几何要素和零部件，完成设计意图。22 利用Solidworks建立对撞段真空管模型Solidworks2007中建立的模型建模基本步骤如下：草绘对撞段真空管的轮廓图 由草绘的轮廓图拉伸50mm 束流室切除拉伸 前室切除拉伸 前室六级磁铁处拉伸（防止穿透） 前端束流室法兰拉伸 前端束流室法兰焊接平台拉伸 后端束流室法兰拉伸 后端束流室法兰焊接平台拉伸 真空通气室拉伸切除 四极磁铁配合凹槽拉伸切除 六极磁铁配合凹槽拉伸切除 BPM孔旋转切除 3个法兰孔旋转切除 1号光子吸收器拉伸切除 2号光子吸收器拉伸切除 1、2号光子吸收器法兰脖子拉伸 1、2号光子吸收器焊接平台拉伸 打孔（各个小螺纹孔和准直孔） 焊接边缘拉伸 各个倒角和圆角注：上片和下片模型的建立步骤基本一样，下片可以在上片的基础上镜像而来，但是下片多了支架孔。23、绘制装配图与零件图 由Solidworks中建立的模型绘制成工程图，再另存为“.dwg”格式的文件，即在Autocad中能打开，然后在Autocad中标注尺寸，也可在Solidworks中标注尺寸。在Autocad中做完整的工程图。具体内容见图纸。第三章 ANSYS分析31、Ansys概述Ansys公司创建与1970年，当时称为Swanson分析系统公司。它开发并在全球各地销售工程模拟软件和技术，这些产品和技术被多种行业的工程师和设计师采用，包括航天、汽裁领导的专门机构-QA部，负责软件质量及可靠性测试。同时Ansys公司自建立伊始，便推出支持教学与研究的院校版本，与代表世界计算机技术最高水平的高校及专业研究单位的紧密结合，促使Ansys软件比任何其他有限元软件更快的吸取最先进的计算方法及研究成果，进而造就了不断推陈出新，技术日新月异的有限元分析软件。ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法车、制造、电子和生物医学等各个领域。其著名的分析软件系统Ansys是以FEA为理论背景，多年来一直致力于计算机辅助工程分析（CAE）软件的开发