臧宗旸， 廖樹清， 龍全紅

（中國工程物理研究院 流體物理研究所106室，四川 綿陽621900）

0 引 言

束流傳輸系統(tǒng)是加速器的重要組成部分，因此對束流傳輸元件的參數(shù)測量就顯得尤為重要，其中包括對加速腔中螺線管線圈中軸線磁場分布[1-2]的測量。螺線管線圈中軸線磁場分布為束流力學(xué)物理模擬提供必要的數(shù)據(jù)支撐，便于更好地進(jìn)行束流傳輸物理模擬計算。實際磁場測量過程中使用激光跟蹤儀在空間建立基準(zhǔn)坐標(biāo)，通過測量磁測探頭與螺線管線圈在基準(zhǔn)坐標(biāo)中的位置來確定二者之間的位置關(guān)系，因此獲取磁測探頭與螺線管線圈之間的位置關(guān)系成為工作重點。加速腔由螺線管線圈、其他部件和螺線管線圈殼體共同組成，4個加速腔又組成了加速組元[3]。如果采用手持式高斯計測量磁場，需要將加速組元拆卸成單個加速腔才能準(zhǔn)確地測量磁場分布，而每個加速腔質(zhì)量近1 t，拆卸過程比較麻煩，測量過程不具有連續(xù)性、銜接性，因此一定程度上增加了工作難度，大大降低了工作效率。如果直接對已經(jīng)組裝好的加速組元中的單個加速腔螺線管線圈進(jìn)行精確的磁場測量[4-5]，由于加速組元管道為細(xì)長管道，磁測探頭在加速組元管道內(nèi)移動過程中量程較長，空間不可視，要對磁測探頭進(jìn)行精確定位并且獲取探頭位置，一些傳統(tǒng)手段不易實現(xiàn)，為此專門設(shè)計了一種高效率磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)。

1 磁測探頭與螺線管線圈位置關(guān)系測量的重要性

螺線管線圈磁場分布的精確測量需要滿足兩個條件：1）磁測探頭與螺線管線圈的空間位置關(guān)系的精確測量；2）具備高精度的磁測探頭。只有二者測量精度同時滿足要求，才能最終保證螺線管線圈磁場分布的精確測量。此前我們已經(jīng)選用了一種高精度的磁測探頭，因此磁測探頭與待測螺線管線圈的相對位置的精確測量成為整個測量過程中需要解決的重點和難點。

2 現(xiàn)有工況下測量難點分析

1）驅(qū)動磁測探頭并且保持高直線度移動難度大。由于加速腔組元管道為φ148 mm的細(xì)長管道，空間過于狹小，如果采用傳統(tǒng)驅(qū)動方式(如絲杠)等來驅(qū)動磁測探頭，無法保持磁測探頭在加速組元管道內(nèi)沿軸向的高直線度移動。

2）不易精確跟蹤磁測探頭軸向位移變化。長度近2450 mm的加速組元管道中完全不可視,不容易實現(xiàn)探頭軸向位移的精確跟蹤。

3）不易精確定位磁測探頭在加速組元管道中的徑向位置。如果將磁測探頭伸入φ148 mm加速組元管道后，無法確定其在加速組元管道中的徑向位置。

基于上述情況專門設(shè)計了一種高效率磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)，伸入加速組元管道并將其固定在螺線管線圈殼體前封板上，實現(xiàn)整個機構(gòu)在組元管道外部的固定，然后對已經(jīng)組裝好的加速組元中螺線管線圈進(jìn)行磁場測量，效果如圖1所示。

圖1 磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)裝入加速組元管道中示意圖

3 磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

1）結(jié)構(gòu)組成。磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)由前滑輪、前滑輪固定座、固定板、磁測探頭、探頭調(diào)節(jié)機構(gòu)、光柵尺、光柵尺讀數(shù)頭、導(dǎo)軌滑塊、安裝板、直線導(dǎo)軌、半月形墊塊、后搖輪、后搖輪手柄、后搖輪固定座、鋼絲繩組成，如圖2、圖3所示。

圖2 磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)局部示意圖

圖3 磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)整體示意圖

2）具體安裝方式。在直線導(dǎo)軌下方以430 mm為間距等間距安裝6個半月形墊塊，使半月形墊塊與直線導(dǎo)軌保持剛性連接，然后在半月形墊塊上面安裝光柵尺，最后依次安裝剩余零部件（后搖輪手柄除外），此時可以將整個機構(gòu)從加速組元前端伸入加速組元管道內(nèi)部，直至固定板與螺線管線圈殼體前封板完全貼合，并安裝后搖輪手柄，最后用螺釘連接固定板與螺線管線圈殼體前封板，最終實現(xiàn)了整個機構(gòu)在加速組元管道內(nèi)的固定。

3.2 設(shè)計中關(guān)鍵問題的解決

1）細(xì)長組元管道中磁測探頭高直線度移動解決方案。用一根鋼絲繩從安裝板前端引出，從前滑輪底部繞過頂部，然后再從后搖輪頂部繞過底部，最后與安裝板后端連接，通過搖動后搖輪上的手柄即可實現(xiàn)導(dǎo)軌滑塊的移動，后搖輪驅(qū)動鋼絲繩，鋼絲繩牽引安裝板，使得安裝板帶動磁測探頭與光柵尺讀數(shù)頭在直線導(dǎo)軌上同步滑動，利用鋼絲繩驅(qū)動磁測探頭在高直線度的直線導(dǎo)軌上滑動，實現(xiàn)了探頭在狹小空間的驅(qū)動，同時確保了磁測探頭長行程直線運動路徑的直線度。

2）精確跟蹤磁測探頭軸向位移變化。將磁測探頭與光柵尺讀數(shù)頭同時固定在安裝板上，并與導(dǎo)軌滑塊固定，光柵尺讀數(shù)頭連接一數(shù)顯屏，磁測探頭連接磁場數(shù)據(jù)顯示屏，并同時放置在加速組元管道外部。磁測探頭移動的過程中，操作人員只需要通過光柵尺讀數(shù)數(shù)字顯示屏即可看到磁測探頭所處的軸向位置，這樣在加速組元管道外部就實現(xiàn)了精確跟蹤磁測探頭在加速組元管道中的軸向位移變化。

3）探頭徑向位置精確定位。半月形墊塊與加速組元管道均為φ148 mm并有間隙配合，管道尺寸為φ148+0.060，半月形墊塊尺寸為φ148-0.05-0.10，二者最小理論間隙為0.05 mm，最大理論間隙為0.16 mm，磁測探頭裝卡在探頭調(diào)節(jié)機構(gòu)（如圖4）上并固定在安裝板上，通過探頭調(diào)節(jié)機構(gòu)可以實現(xiàn)對磁測探頭上、下、左、右4個方向的調(diào)節(jié)，來修正半月形墊塊與加速組元管道間隙配合帶來的偏差。具體解決方法為：左右方向在安裝過程中基本保持對稱，因此其間隙帶來的間隙偏差很小，上下方向間隙偏差由于重力原因集中向下偏，假設(shè)真實間隙為最大間隙0.16 mm，并且認(rèn)為向下偏了0.16 mm，我們?nèi)∑渲虚g值0.08 mm，向上調(diào)節(jié)0.08 mm即可滿足磁測探頭與加速組元管道同軸度的使用要求。在磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)裝入加速組元管道前，通過激光跟蹤儀測量對中使磁測探頭與加速組元管道同軸，由于整個機構(gòu)具有很高的剛性，將機構(gòu)裝入加速組元管道后仍然能夠確保磁測探頭與加速組元管道的徑向精確位置關(guān)系。

如圖4所示，磁測探頭裝卡在探頭卡子里面，并將探頭卡子裝入在卡槽座縱向槽里面，通過縱向固定螺釘連接探頭卡子和卡槽座，稍微松動縱向固定螺釘，并通過調(diào)節(jié)縱向調(diào)節(jié)螺釘即可實現(xiàn)探頭卡子在卡槽座的槽里上下滑動。以同樣的方式在安裝板上開橫向槽使卡槽座裝入安裝板橫向槽里，通過橫向固定螺釘連接卡槽座和安裝板，稍微松動橫向固定螺釘并調(diào)節(jié)橫向調(diào)節(jié)螺釘，即可實現(xiàn)卡槽座在安裝板橫向槽里的左右滑動，最終實現(xiàn)了磁測探頭在上、下、左、右4個方向的調(diào)節(jié)。

4 使用效果對比

運用磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)測量磁場與手持式高斯計測量磁場的效果對比如表1所示。

表1 磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)與手持式高斯計測量磁場的效果對比

5 結(jié) 語

為了在不可視的細(xì)長加速組元管道中實現(xiàn)磁測探頭的精確定位和位置獲取，設(shè)計了一種高效率磁測探頭定位及位置獲取機構(gòu)，該機構(gòu)巧妙應(yīng)用了光柵尺在不可視空間中可以獲取磁測探頭位置的特性，同時利用了狹小空間鋼絲繩便捷驅(qū)動磁測探頭的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了對磁測探頭在不可視空間中所處位置的精確讀取，最終實現(xiàn)了中軸線磁場分布的精確測量。該機構(gòu)的設(shè)計思路可以推廣到其他不可視及狹長空間的各種測量工作中。