直线加速器精密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] 本文参考国内外文献，结合中科院上海应用物理研究所的几台直线加速器的准直经验，综合的介绍了直线加速器安装准直的特点及各种常用的技术，指出激光跟踪仪三维测量技术是目前的主流，可以满足常规直线加速器的准直要求，但基于束流和光的准直技术将是未来发展的一个趋势。
[关键词] 直线加速器；准直望远镜；激光跟踪仪；准直测量；精度1简介粒子加速器因人类探索微观世界的需要而产生、发展，如今广泛应用于医疗、海关、材料合成、生物、核物理等不同的领域及学科。
根据加速器粒子的不同，可分为电子、质子、重粒子加速器；根据粒子轨道形状，可分为直线型、环型、跑道型、回旋型，其中直线型的被称为直线加速器。
在这些加速器中，被加速的粒子在真空管道中前进，要有产生电场的加速管给予加速，产生磁场的磁铁和线圈等提供聚焦，同时还有粒子产生装置、粒子位置监测设备及各种复杂的水、风、电设备。
因此，加速器系统非常复杂。
为了追求更好的性能，加速器通常要求设备安装精度在0.1mm左右的精度，用于自由电子激光及高能对撞的直线加速器甚至要求准直精度做到0.01mm量级。
国内规模较大的直线加速器有：绵阳“神龙一号”电子感应加速器，合肥国家同步辐射实验室（NSRL）的注入器，它们的长度大约都是60m，北京正负电子对撞机（BEPC）的注入器长度202m，而国外有长度约3公里的直线加速器（SLAC），及拟建的长度约几十公里的直线对撞机。
中科院上海应用物理研究所近期建造了皮秒、飞秒和100MeV三台小型的电子直线加速器，长度分别为7m、10m和23m，其中飞秒加速器由中国科学院知识创新仪器设备研制项目和所级知识创新项目共同资助，而100MeV加速器是上海光源的二期预研课题，也是进行深紫外自由电子激光研究的973项目，笔者负责完成了它们的安装准直。
本文下面几节分别以典型的准直技术为题，进行综合性的讨论。
其中，在测微准直望远镜和激光跟踪仪部分，主要根据笔者参与的几台加速器安装准直的经验，其余部分则主要参考国内外加速器文献进行探讨。
2测微准直望远镜技术测微准直望远镜是一种测量直线度的仪器，以国内应用较多的陕西华燕航空仪表公司的产品为例[1]，其测微器格值0.02mm，光轴与机械轴平行度不大于3"，调焦直线性在9m内为0.025mm，18m内为0.05mm，36m 内精度为0.1mm。
可见，在近距离内其精度较高。
利用准直望远镜进行加速器准直的基图1 准直望远镜原理图本原理如图1所示，在加速器两端建立基准点A、B，设置光学目标。
然后在其中一端架设仪器，精确调整使得仪器的视准线和A、B 两个目标的中心共线，这样就建立了一条参考基准线。
在A、B中间安装元件时，使准直望远镜标志和该元件密切配合，利用准直望远镜测量标志的偏差，指挥安装人员调整元件位置，直至达到准直要求。
由于电子需在真空环境中运行，所以，磁铁、线圈等关键元件的中心被封闭在一个真空管道中，结果导致元件的中心难以直接用于安装准直。
解决办法是：在每个元件的支撑上设置两个位置已知的基准孔（图2），通过对基准孔的准直，间接将元件中心准直到位。
这种方法在早期的加速器安装中广泛应用，皮秒加速器属于改造项目，参照以前的准直方案设计，也采用了这个方案。
具体步骤是：首先通过经纬仪、水准仪等仪器，在加速器两端分别设置基准靶，以建立两条和束流中心平行的基准线；在准直时应通过调整两个基准孔中的靶，使其中心通过该基准线，从而保证元件的准确就位。
为提高准直精度，采取了如下措施：1)为避免基准靶拆装对基准线位置的影响，靠近仪器的靶设置为透射靶，远离仪器的靶设置为反射靶。
2)为避免仪器位置变化对基准线的影响，每天开始工作前，对仪器的位置进行微调，确保仪器中心线和两个基准靶的中心共线。
3)在安装结束后，对基准靶位置进行了复测，确保元件位置都在公差范围内。
但是它有以下几个主要缺点：1)望远镜成像质量随距离的增加而下降,容易使操作者疲劳，使得测量结果受人为因素影响较大。
2)图2中所示的基准孔，通常会因为加工、运输及使用等导致变形，使得不能和基准靶顺利配合，且和元件中心形成固定偏差。
3)加速器非常复杂，视线阻挡严重。
在安装了真空管道后，束流位置探测器等关键元件的位置很难再复测，对其位置随时间的变化无能为力。
4)仪器相对于基准线的调整、测量和元件的调节等工作所需的时间非常多，且比较烦琐。
随着越来越多的自动化、高精度仪器涌现，新建的加速器较少使用这种办法。
3激光波带板技术可利用激光束良好的相干性、方向性和高亮度建立基准线，一般形式为：由激光光源和记录装置组成基准线，利用放在中间点上的标志确定其偏差。
使用各种光电技术可实现测量的自动化及遥测，非常方便。
根据激光特性的不同，主要有以下三种形式的应用[2]：1)利用激光方向性好的特点，可直接用激光轴线作为基准线，中间标志为一般的十字丝或其它刻画，比较简单，类似于上面所述的准直望远镜技术。
2)利用衍射原理产生的衍射光栅准直。
中间标志为两条或多条缝隙组成的衍射板，可通过移动记录装置或衍射板来确定中间点相对于基准线的距离。
3)利用干涉原理的波带板准直。
波带板为中间标志，相当于一个聚焦透图3波带板示意图图2 准直望远镜测量基准示意图镜，当激光器点光源发射的激光照射时，将在点光源中心和波带板中心延长线上一定距离的记录装置上形成亮点。
图3为常用的两种波带板形状。
其中，激光波带板应用最广。
理论上可以证明点光源发射光照亮波带板即可，避免了对激光束高稳定性的要求。
前面所提到的NSRL的注入器、BEPC的注入器及SLAC都采用激光波带板进行准直，其中BEPC在200m 的距离达到0.2mm的精度，SLAC在3km的距离达到0.5mm的精度。
本方法的缺点是：激光易受大气抖动和大气折光的影响。
BEPC和SLAC都在加速器元件的支撑部分做一个直径60cm的大铝筒，专门用于波带板准直，事先通过准直望远镜建立加速器元件和波带板之间的位置关系。
为了更好的减少大气的影响，SLAC还采取措施保证激光通道处于真空状态[3]。
此外，为了保证干涉，不同的位置需要设计不同的波带板，属于典型的非标设备。
波带板和加速器元件中心不一致，也可引起较大的偏差。
4激光跟踪仪技术测微准直望远镜和激光波带板技术的共同点是：可以较精确的确定横向偏差，但对于纵向偏差无能为力。
激光跟踪仪技术弥补了这一缺陷，它可以同时控制加速器元件的三个方向偏差及转角偏差。
激光跟踪仪的测量原理是极坐标法，测量目标的水平角、垂直角及斜距，根据这些观测值，建立以测站为中心的极坐标系。
角度测量精度约2″，斜距通过双频激光干涉来进行测量，保证了高精度。
在跟踪头中有一个位置敏感探测器（PSD），可以测出激光束的位置变化量，通过软件精确计算并反馈给伺服马达控制跟踪头的转动，从而实现快速、跟踪测量。
其测量范围为半径35m空间范围 [4]。
由于这些特点，激光跟踪仪被称为移动的三坐标测量机，图4为几种常见的激光跟踪仪型号。
利用激光跟踪仪进行准直的主要过程分为四步：1)建立三维控制网；2)进行元件的基准转移；3)现场安装；4)准直复测。
所有过程都利用激光跟踪仪完成，将不同的流程化为大致相同的工作，大大提高了效率。
由于激光受环境影响较大，激光跟踪仪和目标之间距离不能过长，一般应小于15m。
当进行直线加速器安装时，可进行转站测量，转站后通过定向、平差建立新旧站之间的相互位置关系，其测量方式见图5。
一般采用光束法原理，即将观测值及仪器姿态、位置等参数都作为未知参数进行平差。
通过控制网，仪器的测量范围可实现较大扩展。
控制网建立后，可根据控制网，利用加速器元件上的参考，进行安装。
如同激光波带板技术一样，加速器元件中心和其参考标志之间的位置关系也需事先确定，利用激光跟踪仪完成，能保证0.03mm左右的精度。
在飞秒和100MeV加速器[5]的安装过程中，主要利用激光跟踪仪进行，专门的准直测量人员只需一人。
飞秒加速器正在调束过程中，100MeV加速器已通过国家组织的专家验收，在初次调试时，束流顺利的通过各种探测装置的中心，证实了安装准直的质量。
激光跟踪仪高精度、高效率的特点使得准直变得非常方便，所用时间及人工费用都大大降低，自动化的特点使得准直及安装人员处在一种比较适宜的状态下工作。
当然，激光跟踪仪进行加速器准直有缺点：仪器费用较高，一般需十几万美元；不像准直望远镜那么操作简单，需要准直人员对仪器、软件及精度等各个环节都非常熟悉，才能胜任准直测量任务。
与其优点相比，缺点是微不足道的。
很多加速器实验室都利用激光跟踪仪进行直线及环型加速器的安装，激光跟踪仪是目前加速器准直测量技术的主流。
在“神龙一号”[6]的安装过程及BEPCII [7]的直线加速器改造中，均利用激光跟踪仪转站建立安装测量控制网，其中BEPCII 直线加速器元件整体定位精度约0.2mm ，相对定位精度优于0.1mm 。
5精密传感器技术上述各种技术，典型的精度是0.1mm 量级，精度的进一步提高需要精密传感器技术来支撑，这就是当前非常流行的静力水准系统（HLS ）和水平定位系统（WPS ）。
图6上、下两个图片分别为常用的HLS 和WPS 传感器示意图[8]。
HLS 利用连通器中液体总是寻求具有相同势能水平面的原理，液面高低通常通过电容式传感器测量，把液体和空气看成是介电系数不同的电容，通过电容的变化测出液面的高低。
其典型测量精度为5m m 。
WPS 测量原理为引张线，通过两端拉伸的线确定基准，中间利用一个精密电容传感器测得水平位置偏差。
其典型测量精度为1.5m m 。
HLS 和WPS 结合可实现两个方向的精密准直，考虑到基准转移误差及误差积累等因素，期望精度为25m m ，大大超过了其它方法。
但是，这种技术的缺点和优点一样明显：测量范围小，一般为几个毫米；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，通常需几十万至几百万元。
此外，HLS 和WPS 两套系统是独立的，也带来了实际操作的不方便。
6微米级的准直技术加速器准直的终极目的是保证粒子轨道的正确，反过来，准直偏差会引起粒子轨道的偏差。
因此，可以通过粒子轨道的变化确定准直偏差，利用步进马达实时调整元件位置，这种技术称为“基于束流的准直测量技术”。
在理想条件下，可以达到微米级的精度。
但是实际操作时，二极磁场的存在、地基的振动、温度变化会对测量精度造成较大的影响。
此外，美国的加速器（LCLS ）还提出了一种用于直线对撞机的基于X 射线的微米级准直技术[9]，其原理类似于激光波带板。
区别在于它利用小孔成像技术，光源为波荡器发出的X 射线；小孔设置在束流管道中，为不影响束流，小孔装置不用时可缩回，远离束流中心线，利用精密定位装置，小孔的重复性可达1m m ；接收装置是对粒子和光都能记录的位置敏感探测器，以确保对电子束和光都能正确记录。
