Design and simulation analysis of mechanical system of reference network for alignment based on Hefei Advanced Lightsource Facility
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摘要: 新一代粒子加速器中磁铁位置与姿态的准确测量和安装依赖于各项技术的综合运用。实现磁铁在全局坐标系中准确定位，并且快速精密安装测量，为了建造高亮度、低发射度的第四代同步辐射光源，国家同步辐射实验室开展了“合肥先进光源（HALF）”的预研工作。作为准直测量系统的重要研究内容，创新性地提出了准直参考网络方法。为了保证准直测量精度，对准直参考网络的机械系统本身的形变要求很高，通过ANSYS软件对机械系统整机进行了静力学仿真，根据分析结果对准直基准板进行了优化设计，使其满足工作条件要求。Abstract: The accurate measurement and installation of magnet position and attitude in the new generation particle accelerator depends on the comprehensive use of various technologies. To achieve accurate positioning of magnets in the global coordinate system, and fast and precise installation and measurement, thus to build a fourth-generation synchrotron radiation source with high brightness and low emissivity, the National Synchrotron Radiation Laboratory researchers conducted a pre-research on the Hefei Advanced Lightsource Facility (HALF). As an important research content of alignment measurement system, a reference network for alignment (RNA) is proposed. To ensure the accuracy of the alignment measurement, the deformation requirements of the mechanical system of the RNA are very high. Therefore, we performed a static simulation of the entire mechanical system with ANSYS software, and optimized the alignment reference plate based on the analysis results to meet the requirements of working conditions, and laid a solid foundation for subsequent pre-research.
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随着科学技术的发展，核技术具有零碳排放、能源独立、安全等诸多优势，在人类社会中的地位越来越重要。然而，核辐射事故却为核技术发展迅速蒙上了一层阴影。1986年，苏联切尔诺贝利核电站发生了迄今为止人类历史上最严重的核辐射事故[1]。2011年，日本东北海岸发生了里氏9.0级的强烈地震和海啸，造成了福岛第一核电站的1～3号机组反应堆熔毁[2]。由于反应堆内部高温和高辐射等极端环境，人类无法直接进入进行勘察和处置工作，因此在福岛事故中使用了多种类型和功能的机器人。光纤激光器具有高功率、高光束质量，光束可以远距离柔性传输等优点，可以用于无人区开展激光切割救援等工作[3]。比如Shin等人研究了用10 kW光纤激光器拆除核设施的150 mm厚的厚钢板和大型管道的切割性能[4]。当然，光纤激光器在辐射环境中也会受到影响[5]，高能射线会导致增益光纤产生色心等各类缺陷，这些缺陷引起的额外光吸收增加了传输损耗，降低了光纤激光器性能。
课题组基于光纤激光器存在的自漂白效应，利用60CO辐照源探索不同辐照剂量率下的光纤激光器暗化与自漂白的平衡关系。实验先采用低功率光纤振荡器进行不同辐照剂量率下激光器输出功率演化和去辐照后自漂白研究。使用的光纤激光振荡器实验结构如图1所示，谐振腔由常规商业掺镱光纤（YDF）、高反射光纤光栅（HR-FBG）、低反射光纤光栅（OC-FBG）构成，中心波长为976 nm的泵浦源（LDs）通过前向（2+1）×1泵浦信号合束器（FPSC）注入到谐振腔中，激光经过包层光滤除器（CLS）后由光纤端帽（QBH）扩束输出。
首先，利用较高辐照剂量率研究在去辐照后的自漂白效应，结果如图2（a）所示。图2（a）的(I)为未辐照阶段，持续时间为680 s，由于水冷机周期性制冷使得功率计温度周期变化导致测试激光功率也存在周期变化，激光器功率起伏为1.44%；需要注意的是，这个是主要功率测量误差导致，并不是激光器本身功率起伏。图2（a）中(II)为辐照阶段，在总辐照时间298 s内，辐照总剂量为14 900 rad，激光器输出功率从150 W下降至105 W。图2（a）的(III)为去辐照后的自漂白阶段，在光纤激光器的泵浦光子与热效应的共同作用下，激光器输出功率从118 W恢复di至145 W，与初始功率相差仅5 W，表明自漂白效应可以较为有效地恢复由于辐照导致的激光功率下降。
图 2 光纤激光器在辐照环境下的输出特性Figure 2. Output characteristics of the optical fiber laser in an irradiated environment然后，为了探索不同剂量率的自漂白与在线辐照相互作用是否可以达到平衡，开展了不同剂量率的对比研究，结果如图2（b）所示。图2（b）中，总辐照剂量为2 400 rad，红色、蓝色曲线分别对应辐照剂量率为50 rad/s、1 rad/s时激光器归一化输出功率演化情况；在辐照剂量率为50 rad/s时，激光输出功率下降了3%；在辐照剂量率1 rad/s时，功率起伏1.22%，考虑到这里的周期性起伏主要由于水冷机周期性制冷导致，可以认为在低辐照剂量率下，光纤激光器自漂白导致的功率提升与辐照导致的功率下降基本达到平衡。
进一步地，基于图2（b）的实验结果，我们验证了1 kW级光纤激光器中自漂白与辐照平衡的实验现象。在辐照剂量率为0.1 rad/s时，激光器输出激光功率曲线演化如图2（c）所示。从实测功率曲线来看，在总辐照剂量为190 rad的整个辐照过程中，光纤激光器的输出功率都稳定在1 050 W以上，即使考虑前述由于水冷机导致的功率变化，激光器的功率起伏在1.79%以内。如果不考虑水冷机周期性制冷影响，激光器的功率起伏在0.66%以内。
实验首次验证了在一定辐照剂量率下，光纤激光器自漂白效应导致的激光功率提升可以平衡辐照效应导致的功率下降，为相关场景应用的光纤激光器设计提供了有效支撑。后续，我们将继续深入相关研究，探索不同类别、不同结构激光器辐照与自漂白平衡的机理、阈值和可能的应用。
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图 1 合肥先进光源加速器总体布局示意图
Figure 1. Schematic diagram of the overall layout of Hefei Advanced Light Source Accelerator
图 2 多传感器准直基准板结构及传感器分布示意图
Figure 2. Schematic diagrams of a multi-sensor aligned reference plate and its distributed sensors
图 3 准直参考网络系统整机示意图
Figure 3. Schematic diagram of the overall reference network for alignment (RNA)
图 8 准直基准板的有限元模型和约束载荷图
Figure 8. Finite element model of aligned reference plate and aligned reference plate constrained load diagram
图 9 准直基准板的应变云图和应力云图
Figure 9. Strain cloud map and stress cloud map of aligned reference plate
图 10 准直基准板的输入输出参数设定
Figure 10. Input and output parameter setting of the aligned reference plate
图 12 准直基准板的厚度和长度对其应变和等效应力影响的响应面云图
Figure 12. Response surface cloud diagram of the influence of the thickness and length of the aligned reference plate on its strain and equivalent stress
表 1 整机主要材料属性
Table 1. Main material property of the whole machine
material elastic modulus/GPa Poisson ratio density/（kg/m3） stainless steel 190 0.29 8000 aluminium alloy 69 0.33 2700 structural steel 212 0.29 7860 
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表 2 优化前后仿真结果对比
Table 2. Comparison of simulation results before and after optimization
comparison item strain/mm quality/kg stress/MPa before optimization 0.23 20.17 40.61 after optimization 0.19 16.95 35.07 change percentage 17.39% 19% 13.64%
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