【完整版】正负电子对撞

绪论
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]（Beijing Electron-Positron Collider，简称BEPC）由束流能量为1.3 GeV的对撞加速器、束流输运线、束流能量为1-2.8 GeV的储存环、安装在南对撞区的探测器——北京谱仪（Beijing Spectrometer，简称BES）和北京同步辐射装置（Beijing Synchrotron Radiation Facility，简称BSRF）组成，如图1.1所示。

图1.1 北京正负电子对撞机
BEPCII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”型的正负电子对撞
机。

BEPCII建成后，它将能够提供质心能量从1.0 GeV ⨯ 2 到 2.1 GeV ⨯ 2的对撞束流供高能物理实验之用，同时也能提供2.5 GeV 的同步辐射专用束流。

对于对撞模式，其亮度(Luminosity) 优化在1.89 GeV ，相应的亮度为1⨯1033 cm-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250 mA，发射度为120 nm⋅rad，与目前的同步辐射专用模式（3.2 GeV，最大流强110~130 mA，发射度80 nm⋅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。

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][15]。

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的设计建造中，在储存环中首次采用无氧铜作为真空室的主要材料[20]，这将大大有利于降低动态气载并提高真空室的运行稳定性。

在国内，上
海光源[21]的预研过程已决定采用铝合金作为真空室主体材料并进行了一系列的研究分析，高能所在工程设计讨论中也决定采用铝合金作为真空室材料。

铝合金材料作为储存环真空室的主要材料之一，其真空室的结构设计、加工工艺随着加速器技术及工业技术的发展而不断发展。

CERN的LEP对撞机在拉制成型的铝合金真空室外表面包裹一层铅层以屏蔽辐射对储存环部件的损伤。

在SPring8及APS光源拉制成型的真空室结构设计中采用了侧排气室结构。

80 年代末期铝合金机械加工成型真空室结构的出现，使储存环铝合金真空室的发展前进了一大步。

该结构最早在ALS光源设计中被提出，并被使用，后来又在TLS、PLS、SSRF光源中被采用。

它是用厚铝合金板经机械加工分别制成真空室上、下片，再沿周边焊接，形成整体真空室。

1.3 有限元法应用现状
1.3.1 有限元法的思想
有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。

由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状因此可以模型化几何形状复杂的求解域。

“有限元法”这一名称是1960年美国的Clough R W在一篇名为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。

40年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。

迄今为止，有限元法除了发展其自身的理论和方法外，还外延到其它领域。

如：随机有限元法。

由于计算机的飞速发展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。

通过有限元分析，设计人员能够了解零件中最危险的位置和应力的分布规律。

1.3.2 有限元法发展与应用
60年代起，我国著名数学家冯康等人就开始了有限元方面的理论研究，80年代这一领域的工程化应用渐渐在国内开始，先后出现了SAP、SDINA等有限元软件。

有限元法对构件进行分析计算具有许多优点，应用前景十分广阔，它不仅在工业界各个领域的产品设计中占有举足轻重的地位，近来在日用消费品设计方面的优势也已显著。

目前，有限元法在国内外已广泛应用在核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。

本论文采用ANSYS的强大功能，对所研究的真空室进行了一系列的分析研究。

1.3.3 有限元软件ANSYS的特点
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，同样可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。

ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热-结构耦合、磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合。

(1) 用户界面
尽管ANSYS程序功能强大，涉及范围广，它友好的图形用户界面（GUI）及优秀的程序构架。

基于MOTIF标准的易于理解的GUI。

通过GUI可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步一步地完成整个分析。

(2) 图形。