正负电子对撞机重大改造工程设计方案

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1、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]（BeijingElectron-PositronCollider，简称BEPC）由束流能量为1.3GeV的对撞加速器、束流输运线、束流能量为1-2.8GeV的储存环、安装在南对撞区的探测器——北京谱仪（BeijingSpectrometer，简称BES）和北京同步辐射装置（BeijingSynchrotronRadiationFacility，简称BSRF）组成，如图1.1所示。图1.1北京正负电子对撞机BEPCI

2、I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”55型的正负电子对撞机。BEPCII建成后，它将能够提供质心能量从1.0GeV´2到2.1GeV´2的对撞束流供高能物理实验之用，同时也能提供2.5GeV的同步辐射专用束流。对于对撞模式，其亮度(Luminosity)优化在1.89GeV，相应的亮度为1´1033cm-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250mA，发射度为120nm×rad，与目前的同步辐射专用

3、模式（3.2GeV，最大流强110~130mA，发射度80nm×rad）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[4][5]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

4、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。。55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

5、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

6、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

7、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[12][13]，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[14][1

8、5]。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[16][17]。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[18][19]。90年代后期，在新的Spear3的设