谱仪机械总体设计和技术支持系统方案

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围。 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围。 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。层切圆半径为1740mm，层边长1441.46mm，最外层边长为2336.164mm，每层的桶体壁厚由向外分别为30mm、

30mm、30mm、40mm、40mm、80mm、80mm、80mm、150mm，层间的间隙为40mm，作为安装μ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，保证偏差在允许围。

桶体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。

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；利用超导杜瓦以的两端不锈钢圆筒，支承部各子探测器；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μ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μ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μ子探测器死区大，每边约为150～250mm。

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135mm。为了增加层板连接的牢固性，将层板厚从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μ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

螺栓 M24螺栓 M16

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，支承于桶部轭铁的部。下图展示了磁体在轭铁的支撑结构。

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 磁体安装于轭铁部的示意图