成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)
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。
1.4 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
11
成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)
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。
1.5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。
1.6 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。
12
成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
(5) 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。
(6) 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。
(7) 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(150°C),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50~150 倍,但随着运行累积剂量的增加,两者逐渐趋于一致。
(8) 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。
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
13
成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)
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 主要成份原子序数 密度(g/cm) 泊松比 热传导系数25℃(w/m·℃) 比热(J/Kg·℃) 线膨胀系数(10m/m·℃) 熔点(℃) 扬氏模量(×104 N/mm) 抗拉强度(N/ mm) 抗拉屈服强度(N/ mm) 屈服强度(N/ mm)
14
2222?63铝合金 A5083-H321 13 2.66 0.33 117 900 23.8 591 7.03 315 230 160 成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)
1.7 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
1.8 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。
1.8.1 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
15