谱仪机械总体设计和技术支持系统.docx

北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计4.14 谱仪机械总体设计和技术支持系统4.14.1 现谱仪大厅对设计的制约和机械总体设计应满足的要求4.14.1.1 现有谱仪大厅对设计的制约BESIII是在原谱仪大厅中重建，因此受到原大厅和其它一些不能改建的设施制约。1. 谱仪大厅地面和谱仪移动轨道原建的谱仪大厅系按每平方米承载40吨设计建造，因此混凝土中密布了钢筋，在此基础上再铺设带钢筋部件的钢板作为谱仪移动的轨道，因此地面及轨道不宜破坏，在BESIII设计中应仍利用原轨道作为设计的基础。谱仪移动的轨道中心间距为 3900 mm， 每板宽为500mm 。应使谱仪整体底座与轨道匹配。2. 谱仪中心离地面（轨道平面）的高度由于上述原因，BESIII中心离轨道平面高度与原BES相同，为3700mm。3. 原谱仪大厅吊车最大起重载荷为50吨因此，BESIII设计中起吊单件重量应不超过50吨。4. 零部件和组装辅助工具的设计尺寸原谱仪大厅总宽为18米，谱仪中心离加速器中心一侧墙为6000 mm。面向加速器中心时，其右侧墙离谱仪中心为11米，左侧为7米，门宽为5.5米，门高为6米，因此设计中要考虑单件尺寸和组装辅助工具长度，不致因门的限制不能运入大厅和受大厅宽度限制不能进入谱仪。4.14.1.2 机械总体设计中应满足的要求1. 提供各子探测器的支承、位置调整和固紧，使最终定位在允许的公差范围内。2. 较方便地提供探测器的维修，尤其是漂移室可能发生断丝需要维修时，不要破坏贮存环的真空，能将磁轭端部开启，端部量能器能够移出。3. 任何磁轭部件在维修复位后，确保磁场形态变化误差在允许范围内。4. 提供各探测器电缆、水、气通道，并能沿着通道分组排列固定，捆紧后引出到轭铁处，应尽可能减少因通道而引起的在加速器上的杂散磁场。4.14.2 磁轭桶部结构和用作各子探测器支承圆筒的连接4.14.2.1 设计的基本考虑图4.14-1 为整体磁轭结构， 由磁轭桶部和磁轭端部组成。磁轭桶部为九层八角形桶组成，对边间距5100mm，桶长为4100mm。内层内切圆半径为1740mm，内层边长1441.46mm，最外层边长为2336.164mm，每层的桶体壁厚由内向外分别为30mm、30mm、30mm、40mm、40mm、80mm、80mm、80mm、150mm，层间的间隙为40mm，作为安装子探测器的空间。磁轭桶部总重量约为240吨。磁轭桶部和磁轭端部间各留有1100mm × 80mm的通槽，作为读出电缆等引出通道。图4.14-1 磁轭结构总图为满足磁性要求和较好的机械强度，选用10号钢作为磁轭桶体材料。选用10号钢较之选用DT4电工纯铁经济，但在生产中必须对10号钢材料抽样测量磁性，保证偏差在允许范围内。桶体内的各子探测器将支在磁轭桶部上，因此磁轭桶体结构设计与各子探测器支承结构有密切相关。机械结构设计应使桶体有足够刚性，以承受磁场工作下的电动力和支承桶体内的各子探测器，探测器总重量约50吨。设计结构还应有较好的生产工艺和易于组装；在谱仪大厅现场组装时应尽量避免用焊接，因为焊接容易产生变形而难以保证形状和尺寸公差。内部各子探测器支承结构的初步设计方案是利用磁轭桶部八角形内层与超导杜瓦的其中八个三角形空间通过调整构件支承杜瓦；利用超导杜瓦以内的两端不锈钢圆筒，支承内部各子探测器；再通过支承构件将两端不锈钢圆筒连接到磁轭桶体上。不锈钢圆筒与磁轭桶体的连接结构是，利用超导线圈杜瓦与磁轭端部轴向100mm和八角形桶体内层的角部空间。在设计时，既要充分利用该空间又要使因间隙产生的杂散磁场尽量小，设计中利用八个角部装连接构件，而八角形桶体两端每边留有1100mm×80mm槽作为电缆引出。因此磁轭桶体端面与磁轭端部除八角形每边槽的部份外，其余部份端面间有较好的接触，构成铁与铁的磁通路，减少其间气隙引起的杂散磁场。另外还应考虑到对子探测器构成最小死区，且装卸方便。磁轭桶体连接结构设计中考虑了两种基本形式，一为角型板连接结构，另一个为阶梯型板连接结构。端部轭铁为前后两个，每个端轭又分成左右两半，可以打开。每半个端轭分成9层，从里向外为40mm、40mm、30mm、30mm、30mm、50mm、80mm、80mm、50mm，每层间隙为40mm，其间安放子探测器。除板形轭铁外还又固定极头、活动极头、端部隔板、端部面板等。轭铁与固定极头用螺栓连接。4.14.2.2 角型板连接结构图4.14-2为角型板连接成的磁轭桶体及细部结构。利用与八角形角度相符的角型板，将八角形每个面的两个或三个单板连到一起，形成一个单元，使其单件重量不大于50吨，其外形轮廓尺寸应符合交通部门超大件运输允许的条件，将各磁轭单元运到谱仪现场后，进行组装。图4.14-2 角型板连接结构角型板与单块钢板可以用螺钉连接，也可以用自动焊接机与钢板焊上，如有少量变形，可以校正，焊接比螺钉连接强度更好一些。组装时用螺钉将两层串起来，使桶体形成刚体，由于螺钉是从平面固紧，固紧的牢固性较之下述阶梯型板连接结构为好，但是此结构造成子探测器死区大，每边约为150250mm。4.14.2.3 阶梯形板连接结构图4.14-3和4.14-4为阶梯形板连接结构，将八角形桶的每个单面9层铁，用阶梯形板从侧面用螺钉连接成一个梯形单元。阶梯形板长4100mm，宽80mm，一侧面加工成与每层板相应阶梯形，阶梯形板沿径向超过单元厚度分别为，向外100mm，向内135mm。为了增加内层板连接的牢固性，将内层板厚从20mm增加到30mm。用螺栓将相邻两个单元间阶梯形板延伸部份固紧，形成多层八角形磁轭桶体。八角形桶每层板两端用五角形板在角部形成1100×80mm槽，见图4.14-3，组装后在磁轭桶体两端形成通道，分别作为读出电缆和高压电缆等的引出通道。用阶梯形板连结成磁轭桶体的优点是，待工厂加工完成后，可以在生产现场先进行组装，作必要修配，达到设计要求后再打上销钉。由于已进行过组装和修配，将大大减少在实验大厅现场最后组装时间。阶梯形板连接结构使子探测器死区从250mm减少到80mm。但其连接牢固性较角型板略差一些。经过上述两种连接结构方案比较，选定阶梯形板连接结构。图4.14-3 磁轭桶部用阶梯型板连接结构总图图4.14-4 磁轭桶部用阶梯型板连接结构细部图1 超导磁体的支撑螺线管超导磁体重量约为12吨，长度为3.9米，支承于桶部轭铁的内部。下图展示了磁体在轭铁内的支撑结构。在桶部轭铁的八角形的8个角上，通过阶梯形板向内延伸的末端焊接用于定位的翼形块，在磁体杜瓦外筒两端的对应位置焊接用于定位的挡块。磁体安装就位时，在翼形块和挡块之间再放置钥匙块、轴向定位块、径向和周向定位块，利用不同厚度的轴向定位块、径向和周向定位块来调整磁体的位置。图4.14-5 磁体安装于轭铁内部的示意图图4.14-6 磁体支撑结构详细图2. 支承各子探测器的不锈钢圆筒与磁轭桶体的连接结构图 4.14-7所示，螺线管超导磁体内每端装有不锈钢圆筒，外径为2650mm，长580mm，厚20mm，带有法兰，法兰外径为3400mm，厚度20mm与杜瓦间垫有厚10mm带球形凹槽聚四氟乙烯板。每端用八块小五角形板，上部与内层板和相邻两个阶梯形板向内延伸部份用螺钉连接，下部与不锈钢圆筒法兰相连。在该结构中，磁轭桶体长度应为3940mm，两端各以厚度 80mm五角形板固定在磁轭桶体端面上，形成1100 × 80mm 电缆通道。图4.14-7 磁轭桶体与带法兰不锈钢筒的连接结构4.14.3 各子探测器在不锈钢圆筒中支承、调整和固定磁轭桶体内探测器包括桶部量能器、桶部飞行时间计数器、漂移室、端部量能器、端部飞行时间计数器。桶部量能器长3440 mm、外径f2560mm、内径f1860mm，重量约35吨，两端向内呈锥形。如图4.14-8所示，为加强桶部量能器锥部两端，使成其为一个刚性的桶体，每端利用8个角块，水平方向用螺钉与桶部量能上锥部相连，垂直方向用螺栓与不锈钢圆筒相连，并可调节位置后再固定。图4.14-8 各子探测器在不锈钢筒内的支承调整和固定桶部飞行时间计数器用尼龙带捆在漂移室外桶上，经过几种方案的比较，这一结构最节省径向空间。漂移室长度为2400mm，外径f1620mm，总重约为1吨，利用漂移室外桶裙边与桶部量能器锥形底部加强部分相连，每端用8个角块以螺钉相连，并可调节位置和固定。采用这一结构是由于飞行时间计数器与端部量能器轴向空间有限，如果有足够的空间，在桶部量能器锥形底部固定一个不锈钢环，将漂移室固定在环上，较为理想，这将在设计深入中进一步讨论。端部量能器呈锥形盘状，最大外径为3400mm，最小外径为1000mm，盘厚为340mm，分为左右两部分，安装后可以将其连成整体，端部飞行时间计数器固定在其前端，总重量约为1.5吨，每端用8个角块固定在端部量能器外端面上，每个角块用调节螺钉与桶部量能器支承角块相连。4.14.4 BESIII谱仪磁轭端部结构和移动图4.14-9所示，BESIII端轭设计成两半对开的形式，每半个端轭重约52吨。因为端轭很重，故端轭移动机构设计成落地式，在特定的导轨上滑动。又因为端轭较高、较薄，像一堵墙，为安全考虑，在八角形桶部轭铁的顶部，设计有导向横梁，在每半个端轭的顶部，各装有2个导向滑轮。驱动方式选用电机-减速器-丝杠系统，平稳可靠。4部驱动电机的功率各为7.5kW11kW。端轭移动行程为2 m，移动速度初步定为1m/分钟。顶部导向横梁结构可以兼作谱仪顶部平台的基础。图4.14-9 BESIII端轭自动开闭方案端轭芯环向内凸起，为了使端轭移动时不与桶部轭铁相碰，整个端轭应沿束流线方向移动，然后再沿与束流线垂直的方向移动。但整体端轭的重心较高，机座较短，抗翻倾能力差，沿束流线方向移动时更为不利，尤其在启动和停止时，较短的机座无法抵抗惯性冲力所产生的翻倾力矩，因此沿束流线方向的移动极不安全。为了解决这个问题，将向内凸起的芯环设计成活动式，可沿束流线方向相对于整体端轭移动。这样可以在打开端轭之前，先将芯环沿束流线方向拉出，使整体端轭只完成纵向运动，避开了危险的横向移动。半个端轭芯环在两个方向上均不对称，其形心较难确定，为使芯环移动顺畅，在两半个芯环上有导向孔，在端轭上装有导向柱。并采用单独的电机减速器丝杠系统驱动，端轭芯环的移动行程为300mm，移动速度为1米/分钟。端轭移动和端轭芯环移动的驱动采用带减速器的交流电机，电控系统采用变频调速，可以控制52吨重的端轭平稳启动，避免在停止时的惯性冲击。端轭移动轨道在适当位置上设有接近开关限位，为了防止意外事故，在导轨两端设计有缓冲碟形弹簧。在打开端轭时，首先沿束流方向向外拉出芯环，然后再将端轭打开，全部工作可在5分钟之内自动完成。图4.14-10所示的右端轭处在工作位置（即闭合位置），芯环也处在工作位置。左端轭处在完全打开的位置（即内部探测器检修时的位置），芯环已在端轭打开之前拉出到最外位置。图4.14-10 BESIII端轭芯环的移动4.14.5 端部量能器的移动方案漂移室检修时要求端部量能器能够方便地打开。端部量能器为半个圆锥台，不能用其自身导向，且所处位置又较深，因此对移动机构要求较高。在移动过程中，为了避免与Q铁和桶部轭铁的端面发生碰撞，端部量能器必须实现沿Z轴移动850mm，沿X轴移动500mm，沿Y轴移动2200mm。对端部量能器的移动已考虑两个方案，一个是X、Y、Z三向滑台式，另一个是多杆机构起重臂。图4.14-11所示为三向滑台式，用X、Y、Z三向工作台和一个很长的起重杆组成。机构尺寸较大，由于吊杆太长，端部量能器在移动过程中易发生颤振。图4.14-12所示的多杆机构实为一种放大机构，机构的放大比为4:1。为此竖直滑块的行程只有550mm，水平滑块的行程为250mm，多杆机构与第一个方案相比，基座尺寸小的多，结构紧凑。起重臂设计成平行四边形机构，使被抓取的物体在移动过程中永远保持平动，吊取过程平稳。另外，平行四边形机构双梁结构刚度好，吊取系统重量较轻。但机构在相叠交部位的设计较为复杂。图4.14-11 端部量能器移动机构方案1（三向滑台式） a) 工作位置 b) 与Z向成25度方向移出 c) 沿Y方向上移图4.14-12 端部量能器移动机构方案2（多杆机构）以上两种方案均把端部量能器吊在空中，在检修内部探测器时总有不安全感，为此目前正考虑另一种方案，由于尚未成熟，初步设计没有定出最终方案，起吊设备的具体结构尚未设计。4.14.6 中心束流管的结构和支承图4.14-13 中心束流管的结构和支承图4.14-13为中心束流管的结构。中心束流管总长为1074mm，包括对撞区300mm长的铍管和每端各362mm的外延中心束流管，两端各带25mm厚不锈钢CF法兰，法兰与超导Q铁出口处加速器不锈钢CF法兰相连接，整个中心束流管内半径为R31.5mm。中心束流管设计应使因同步辐射、损失粒子和次级粒子散射对探测器产生的本底尽量少；应使中心束流管有足够冷却，将同步辐射、损失粒子和次级粒子散射以及高频腔高次模对中心束流管产生的热量带走，保持中心束流管温度在20-30 C，不致损坏中心束流管。整个中心束流管内壁还应光滑无台阶。4.14.6.1 中心铍管结构图 4.14-14 为中心铍管结构。选择铍作为中心束流管是为了减少粒子所穿过的材料物质量。设计中考虑用一个长300mm内径63mm，壁厚3mm的铍管，在长250mm范围内沿周向铣出六个槽，槽深2.2mm，只留有六个均匀分布宽2mm的筋，在管两端加工成相应的台阶，将与铝腔和铜管焊接。用内径为69mm，厚为0.5mm的铍管套在外，用钎焊与上述铍管形成一个有6个通道的双层管，外层管分别用电子束与两端铝腔相焊，铝腔另一端与内层铍管台阶用电子束管相焊，形成一个长300mm的中心束流管，铍管内表面需镀有1020金。铍管也可以用粉沫冶金成型。 4.14-14 铍中心束流管结构采用铝水腔和6通道的双层铍管是为了不使冷却短路，能使冷却介质沿周向均匀分布。内铍管加强筋除了为使冷却均匀，还因为将内外管焊接在一起，即使在很薄壁下具有足够的刚度。铍管两端钎焊一段过渡铜管是为了与外延的铜管焊接时不用钎焊。 铝水腔在中心一侧壁较薄，也是为了减少物质量，并使其有一定弹性，适应铍管与铝不同的膨胀系数。根据几个同类机器的运行经验，拟用氦气或PF200油为冷却介质较可靠。4.14.6.2 外延束流管的结构和支承图 4.14-14 所示，外延束流管采用铜管或镀铜铝管是为了减少因同步辐射产生的散射光子。铜管内径63mm，壁厚3mm，带有厚15mm的水套，铜管一端与镀镍的CF法兰钎焊，另一端与铍中心束流管的过渡铜管相焊，形成整个中心束流管。铜管与加速器法兰连接后，装入一个圆环，圆环水平与垂直方向与中心漂移室外环厚20mm铝环相连，通过蝶形弹簧滞振，并可调节中心位置。4.14.7 谱仪的整体移动BESIII的桶部轭铁和端部轭铁及其轨道共同安装在谱仪机座上，左右端轭轨道总长9.4m，为使机构稳定和具有足够的刚性，用六根横梁将左右端轭导轨连接起来，同时将导轨与八角形桶部轭铁主体紧密连接。图4.14-15为去掉机座后从下面观看BESIII的情况。具体结构设计应当更为复杂，为确保各子探测器和端部轭铁的安装、定位精度，不仅要考虑基座结构的机械强度，更要考虑结构的刚度和整体扭变。图4.14-15 BESIII端轭导轨的连接（上视）端轭导轨全长座落在机座上，由于端轭导轨的精度需要，机座与端轭导轨之间不能焊接，为此机座上给出安装端轭导轨的精确平面和螺栓孔。基座可在大厅已有的滑轨上沿与束流线垂直的方向由南向北移动到对撞点，具体驱动采用已有的电机和卷扬机，为减小摩擦，基座下面装有聚四氟乙烯塑料垫板。基座外廓尺寸为10300mm×5600mm。为保证基座的整体刚度，机座可以与上述端轭导轨的五根横梁做成一体，但要考虑谱仪大厅门的尺寸及运输问题。机座在水平面内的安装位置，靠现有的地面滑轨和导向轮保证，竖直方向的调整利用四个起升力为300吨的液压千斤顶顶起，然后在基座下部加多块垫铁实现。