当代粒子加速器准直测量技术现状

当代粒子加速器准直测量技术现状
于成浩 柯明
（中科院上海应用物理研究所，上海 201800）
EMAIL ：yuchenghao@
[摘要] 本文首先介绍了上海光源的情况，然后分析加速器准直测量的特点及现状，特别阐述了激光跟踪仪、全站仪、以引张线为基础的水平自动定位系统及以静力水准原理为基础的高程自动定位系统的应用，最后简单介绍了上海光源拟采用的准直测量技术。

[关键词] 粒子加速器；全站仪；水准仪；激光跟踪仪；静力水准系统；自动定位系统；上海光源
图1上海光源加速器布局图
1 引言
粒子加速器是利用磁场约束粒子、用电场对其加速的装置。

利用其产生的高速粒子打靶、对撞可以研究微观粒子的各种性能特点；利用接近光速运动的电子沿轨道偏转时产生的辐射可以建造具有卓越性能的同步辐射光源，广泛应用于生命科学、材料科学等领域，它是当代前沿学科产生研究成果的一大源泉。

国际上规模较大、著名的粒子加速器有几十台，主要分布于欧美日等国家。

中国大陆几台大型粒子加速器分别为北京正负电子对撞机、兰州重粒子加速器、合肥国家同步辐射加速器。

此外是在建的上海同步辐射装置（SSRF，简称上海光源），它是第三代同步辐射光源，设计性能指标据世界前列，位于上海浦东张江，投资12亿，计划于2009年建成，是我国迄今为止最大的大科学装置
和大科学平台[1]。

上海光源加速器主体部分由20m 长的直线加速器、周长180m 的增强器及周长432m 的储存环组成（图1）。

在这样大的空间范围内，要把成千上万个磁铁、真空室等设备以亚毫米、毫米级的精度放样到设计位置，其中关键元件的相对位置偏差要求小于
0.08mm，储存环432m 周长的测量误差要小
于1mm，这是对加速器准直测量技术的一大
挑战。

在上海光源准直测量方案设计的过程中，进行了大量的文献调研及技术参观、讨论，明确了当代加速器准直测量技术的现状及发展趋势，并请国内外专家进行指导、方案评审，最终确定了上海光源的准直测量方案。

本文对当代加速器准直测量技术调研结果进行回顾，希望对其它大型工程测量及设备安装工作有所裨益。

2 加速器准直测量的特点
加速器准直测量是专门研究加速器安装准直的技术。

从本质上讲，它是精密工程测量的一个分支，主要借鉴精密工程测量的理
论、技术开展工作，包括控制网的优化设计、仪器操作、数据分析处理等[2]。

由于加速器位于狭长的直线形或环形隧道内，尺寸大、
复杂，进行设备的精确就位存在很大难度，而且加速器对准直测量定位的精度要求不断提高，这对精密工程测量技术提出了很多挑战，客观上也促进了其发展。

加速器准直测量的目的是保证加速器设备的精确就位，以目前的技术手段，为了完成加速器准直工作，主要工作分五步：z设计并建立高精度的测量控制网，它是设备安装定位的基准，也是运
行期间对加速器各个部件进行定期
监测和调整的依据。

z标定各类磁铁的测量基准相对于其磁中心的位置，这是为了找出由于
磁铁加工、制造引起的机械中心与
磁场中心的偏差。

z为了减少现场安装工作量，将相关的成组部件及其支架在隧道外预安
装准直。

z将预安装准直后的组件按理论位置定位于隧道中。

z加速器建成后，地面的不均匀沉降、地下水位的变化等因素引起的地面
运动，定期进行磁铁监测和准直。

相对于其它精密工程，加速器准直测量有以下三个显著特点：
1)定位精度高
粒子在磁场的约束下沿着其轨道前进，磁铁的安装位置偏差将引起粒子运行轨道和设计轨道的偏离。

环形加速器中，必须满足一定的定位精度，才能保证粒子绕轨道旋转几十万圈。

由于磁铁对粒子束有聚焦或偏转作用，所以垂直于束流轨道方向（横向）的位置公差要求特别严格，一般为0.05～0.2mm。

上述步骤每一步都会引入测量误差，任何一步的误差超限都将造成最终精度的超差，因此需要采取措施控制每一步的误差积累，这无疑增大了准直测量工作的难度。

未来的超导直线加速器要求定位精度达到10微米，现有的测量手段将无法满足要求，必须寻找新的方式来进行精确定位。

2)尺寸大
当代加速器的周长从几百米到几十公里不等，单纯高精度的要求也许并不难达到，真正的挑战是在尺寸非常大的情况下实现如此高的精度。

从测量定位的角度看，要在这样大的空间范围内对数量众多的元件精确定位，必然要求建立高精度的测量控制网、并采用最先进的测量技术。

由于加速器轨道为直线形或环形，因此控制网的形状也为直线或环形。

以这两种控制网形状要达到高精度有特别的难度，而且隧道折光影响也特别大。

20世纪60年代至80年代采用等边直伸边角网及三角形测高等方法来实现控制网精度的提高，但是工作量大，测量效率低。

如今随着仪器精度的提高，可以采用边角网观测或激光跟踪仪三维测量等方法来实现高精度的控制网。

3)强辐射性
加速器的另一个特点是强辐射性，为了保障人员的人身安全，测量定位必须在停机状态进行。

而加速器初次安装定位结束后，随着时间的变化元件的位置会发生偏移，需监测位置变化、并重新调整。

为了减少人员在辐射环境下的时间、提高调整定位效率，自动监测及调节系统都在加速器中应用前景很广，近年来发展很快。

为了达到辐射防护的要求，加速器主要设施通常位于封闭的隧道空间中，一般加速器都位于地下隧道中。

由于隧道费用等因素的考虑，新建的加速器也倾向于将加速器置于地面，通过很厚的屏蔽墙达到防护目的。

封闭的隧道空间导致通视性很难保证，为了保证加速器各部分之间的相对位置，必须预留测量通视孔，以保证能够建立统一的测量控制网。

3 加速器准直测量技术现状
加速器准直测量技术的发展得益于精密工程测量技术的发展。

当今时代，科学技术的最大特点是各个学科的交叉融合，测量学这一古老学科得益于光学、电子学、信息学、图像学等学科的发展，和地球科学、空间科学等学科相辅相成，跨入一个崭新的时
代。

各种电磁波测距技术的发展使得距离测量的量程、精度分别得以突破：量程上可以实现月地距离的精确测量，利用双频激光干涉原理制造的测距仪测量精度可以达到微米级。

采用光栅度盘、动态测角原理的测角技术使得角度测量精度可以达到0.5″。

测距和电子测角结合形成的全站仪、激光跟踪仪，融合马达驱动技术、计算机技术等形成智能、傻瓜形的机器人。

电子水准仪采用图像匹配技术，和条码尺配合，可以实现自动读数，能达到精密光学水准仪的精度，大大提高了效率。

此外，GPS、近景摄影测量的仪器也迅速发展，GPS 定位精度已经可以做到毫米级，摄影测量仪器精度可达到几个微米。

由于加速器高精度的定位要求，各种先进、精密仪器往往产生不久就被用于加速器安装测量中。

在仪器被使用到极限仍不能满足要求的情况下，加速器测量工作者往往还自行研制、加工一些设备来满足定位要求。

在一些历史悠久的加速器实验室中，可以见到很多体现各个时代特点的测量标准仪器及非标仪器。

比如在欧洲核子中心（CERN），传统仪器包括： Distinvar（自制）、ME5000、DI2000等测距仪，T3000、AGA 等角度测量仪器，激光型（自制）、光学型偏距测量仪器，还有各种光学水准仪。

新的仪器包括：激光跟踪仪、全站仪、电子水准仪、频率扫描干涉仪（自制）、激光扫描仪及自动水平定位系统和高程定位系统等。

CERN还有一个专门的校准、计量实验室来完成各种仪器的校准工作。

下面介绍有代表性、目前常用的加速器准直测量技术，包括全站仪、激光跟踪仪、水准仪、静力水准系统（HLS）、自动定位系统。

3.1 全站仪
全站仪是测量人员比较熟悉的仪器，在加速器中Leica公司的TPS5000系列仪器使用较多，特别是具有自动目标识别、马达驱动功能的TDA5005全站仪。

角度测量精度0.5″， 配合专门的角偶棱镜，在120m范围内，距离测量精度0.2mm。

整个系统在20m测量范围内的点位精度可达到0.3mm[3]。

全站仪的精度及便宜、便携的特点，使得其应用非常广泛。

由于全站仪测量需对中、瞄准，效率较低，所以有被激光跟踪仪代替的趋势。

目前它主要用于控制网的测量，下面对欧洲同步辐射装置（ESRF）中全站仪的使用情况做一简单介绍[4]。

图2是ESRF其中1/32部分的布局图，320个测量控制网点分布在磁铁及隧道墙上，每个网点保证至少被观测4到5次，共计有1600个角度、距离观测值。

在距离精度0.1mm、角度精度0.5″的条件下，控制网平差计算的点位误差小于0.113mm（2σ）。

图2 ESRF全站仪控制网测量示意图
图3 ESRF全站仪角度校准曲线
为了使全站仪达到上述精度，该实验室测量人员做了以下工作，把全站仪的性能发挥到了极限：
1)测距仪的校准。

他们研究发现，测
距仪测量误差遵循一条非常有规
律的曲线，该曲线可以在测量实验
室测出来，用于改正实际测量值。

通过改正，全站仪测距的精度可以
由0.2mm提高到0.08mm～0.1mm。

2)编码度盘的校准。

经研究发现，角
度测量和距离是相关的（图3），而
且6m以内角度测量精度是比较低
的，应避免该距离范围内的测量。

3)对中误差的研究。

对中误差分仪器
对中误差和目标对中误差，他们研
究发现，仪器的强制对中误差可达
0.1mm，CCR1.5″的角偶棱镜和锥
面配合引起的对中误差较小。

在平
差计算过程中，通过分离目标站和
观测站的方法，点位精度有所提
高。

3.2 激光跟踪仪
激光跟踪仪是一种快速的三维测量仪器，双频激光干涉距离测量的精度为微米级，水平、垂直两个编码度盘可达几秒的
精度，利用服伺马达动态跟踪目标，测量
范围几十米，坐标重复性及绝对坐标测量
精度都可达几个ppm（百万分之一）。

目前
生产激光跟踪仪的厂商主要有LEICA、API、FARO三家，其设计、使用方便性都
在不断改进。

激光跟踪仪的主要优点是在近距离内
有非常高的精度，比三坐标测量机（CMM）测量范围大，可移动，因此有移动的CMM 之称。

由于激光受外界条件影响较大，所以远距离（15m以上）时精度比较难以保证，其使用通常被局限于近距单个元件或小规
模组件的装配。

这一局限可以通过转站测量来突破，其原理如下：利用激光跟踪仪在第一站测量控制点，移动仪器至一定距离（6～10m）设第二站，在向前测量的同时重复测量第一站中测过的点，新旧站之间位置关系通过公共点确定。

依次类推，逐渐向前推进，跟踪仪的测量范围就被拉大了。

定向过程是利用光束法平差实现的，根据光束法平差理论，相邻站之间至少有3个以上的重合点，定向控制网点应该空间分布[5]。

瑞士光源（SLS）及美国的APS都利用这种原理进行了控制网的测量。

SLS测量了周长288m的整个环形隧道，建立了一个遍布隧道空间的三维测量控制
网(见图4和图5)，控制网测量的标准偏差可做到0.066mm。

由于仪器精度的限制，常规精密三维控制网的建立是平面和高程分开的，通过测距、测角建立平面控制，水准测量建立高程
图4瑞士光源三维网平面分布图
控制。

其缺点是工作量大，效率很低，且网点数目较少，难以满足复杂设备安装的要求。

SLS 的这种建立控制网的方法，测量速度很快，大大提高了工作效率，且最后得到的可用控制网点很多，有利于复杂、视线障碍较多的加速器设备的安装定位，很多新建加速器开始效仿采用这种方法。

3.3 水准测量系统
传统的光学水准仪及先进的电子水准仪在加速器高程方向的准直测量中应用非常广泛。

由于加速器高程控制网点间距一般都在5～30m 的范围，且要求精度非常高，所以一般采用一等水准测量的仪器及方法，N3、DNA03、DiNi12等应用非常广。

水准仪测量只能在加速器停机期间测量，为了监测实时的位置变化，静力水准系统也应用广泛。

它利用连通器中液体总是寻求具有相同势能水平面的原理，液面的测量可以是接触式的，通过CCD 记录浮子的读数
斯、德国、日本等国的一些公司。

ESRF、SLS、CERN、Spring-8等加速器对静力水准系统的研究非常深入，已研制成高程自动监测系统。

其缺点是：测量范围小，测量结果受外界环境影响较大，会出现随时间的漂移；造价高，要构成系统，通常需几十万至几百万元。

3.4 自动定位系统
准直测量的理想境界应该是自动测量、
自动调整，但是这非常难以实现。

可喜的是，这样的自动定位系统正向我们走来。

自动定位系统的关键是实现位置自动测量和自动调节的集成，位置自动测量是通过传感器实现的，自动调节是通过步进马达实现的，二者的集成要通过计算机来实现。

目前的自动定位系统是高程和平面分开的。

高程方向是通过静力水准实现的，一个支架上面布设3个静力水容器，可以监测三个自由度（图6），测量值输送到远程计算
图6 ESRF 支架静力水准布局图
机，计算机把它和理论值比较，得出调节量，然后输送指令给步进马达、调节机构，将支架调节到理论位置。

水平方向的测量可以通过引张线实现，通过线两端的拉伸确定基准，中间利用一个精密传感器测得水平位置偏差，其数据传送、位置调整和高程方向类似。

这样的自动定位系统存在水平、高程方向的耦合问题及静力水准的液面振荡等问题，SLS已经把这样一套系统安装在加速器上了，CERN也正在深入研究。

此外，利用一个HLS和一个电子倾斜仪代替3个HLS监测支架的方案也在研究中。

4 结语
以上简单介绍了当前加速器准直测量
中有代表性的技术，限于篇幅，GPS、激光扫描仪、激光跟踪者（Laser Tracer）以及一些非常有特色的自制系统在加速器中的
应用都不做介绍，感兴趣者可查阅历届国际加速器准直会议文集。

经过广泛调研及深入论证，上海光源决定采用全站仪进行整体控制网的测量；利用激光跟踪仪进行磁铁标定、预安装、现场安装、隧道控制网测量；水准仪用于高程测量；在建造阶段，将进行静力水准测量系统的实验并建立一个小型系统，待经费、技术等成熟后再改造成自动定位系统。

纵观加速器测量技术的发展，充满了限制与突破这一对矛盾对立面的冲突、平衡：强辐射等条件的限制，使得自动定位系统得以在加速器中发展；空间条件的限制，使得加速器对环形控制网、直伸型控制网研究得非常透彻；不断提高的精度要求，使得先进的测量技术不断被研究、应用，未来的大型直线超导对撞机定位精度向微米级迈进，这
将迫使人们从思路上突破，寻求新的解决办
法。

这些不断的挑战使得加速器准直测量在
精密工程测量领域始终处于领先地位，并推
动着精密工程测量技术的发展。

参考文献
[1] 徐洪杰等，国家重大科学工程上海光源初
步设计，2004.11．
[2] 吴翼麟孔祥元．特种精密工程测量[M]．北京：测绘出版社，1993.11．
[3] L3_TDA5005[EB/OL]．：/media/new/product
_solution/L3_TDA5005.pdf，2005-5-20：
[4] IWAA2004 Proceedings [EB/OL]．：http://iwaa2004.web.cern.ch/IWAA2004/，2005-7-20：
[5] Axyz Mathematics for users[CD] ． Switzerland： Leica Geosystems AG，2002：
The Status of Contemporary Survey and Alignment Technology in Particle Accelerator
YU Cheng-Hao KE Ming
(Shanghai Institute of Applied Physics, the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800)
Abstract This paper introduces the status of SSRF firstly, then analyzes the characteristic and status of accelerator survey and alignment technology. The application of Laser Tracker, Total Station, and automatic horizontal positioning system based on stretched wire and automatic height positioning system based on hydrostatic leveling systems in accelerator is expounded specially. Finally, the designed survey and alignment technology of SSRF is introduced briefly.
Key words Particle Accelerator; Total Station; Level; Laser Tracker; HLS; Automatic Positioning System; SSRF
作者简介：于成浩（1977－），男，河南新野人，工程师，在职博士生，目前承担国家重大科学工程上海光
源准直测量系统设计、实施任务。