粒子加速器中复杂静力水准系统的精度理论与验证研究

发布时间：2020-10-13 07:44

　　 静力水准系统(Hydrostatic leveling system,下面简称HLS)根据相连的钵体中液体总是相同势能的水平原理,测量和监测观测点之间的相对高程变化量。HLS系统以很高的测量精度在精密工程测量领域得到广泛应用,尤其在精密工程测量如粒子加速器准直测量中应用最为普遍,国际上大部分粒子加速器实验室的准直测量工作中均用到了静力水准系统。粒子加速器在铅垂方向的位移变化是影响加速器正常运行的主要形变,因此利用HLS对粒子加速器中各重要元部件的沉降变化进行监测是必要的。 论文首先结合目前粒子加速器准直的研究发展趋势,对HLS系统在国内外粒子加速器准直工作中的应用进行了系统介绍,阐述了各大加速器实验室在利用HLS进行准直测量时面临的相关问题及挑战。随着加速器新理论和技术的发展,新一代光源加速器不断出现,工程对准直精度的要求越来越高,因此仅仅单方面靠提高HLS传感器本身精度是不足够的。 论文一方面着重探讨了影响HLS测量精度的因素,并对这些影响因素进行了深入的理论分析；另一方面通过合理设计,建立多套实验验证系统,对理论研究进行验证,进而提出了剔除这一系列影响因素的方法。具体研究内容和成果主要如下： 1.温度不均匀对HLS系统测量读数的影响研究。静力水准系统的工作媒介是液体,温度不均匀变化必然引起液体密度的变化,也就使液体体积发生变化,必然影响系统的测量精度。通过理论研究和实验验证,得出了一套可靠的温度修正方法。 2.阐述了钵体液面所受压力不同对HLS系统读数的影响,并提出了消除该影响的措施。采用了密封传感器钵体,将传感器钵体之间用等压气管连接的方法来保证钵体内液面所受压强大小相等,减小HLS系统误差来源。同时还简要阐述了地面振动、重力异常对HLS读数的影响。 3.深入研究了倾斜固体潮、海洋负荷潮对HLS读数的影响。地球在引潮力作用下,固体地球会发生周期性的形变,倾斜固体潮周期性地在HLS读数中呈现。在高精度大地测量尤其是高精度粒子加速器准直测量中,固体潮的影响不可忽视。因此,首先需要对HLS数据进行预处理,对HLS数据进行温度补偿,再对数据进行调和分析,得到当地的潮波模型以及倾斜潮的准确影响,进而可以对HLS读数中包含的倾斜固体潮部分进行潮汐改正以得到更高的监测精度。 4.在合肥光源实验室搭建一套长约20米的HLS实验平台。该平台主要验证了采用的HLS系统精度足够分辨固体潮,并且该系统的读数变化主要源于固体潮的影响。 5.在噪声干扰很小的泾县地震台监测洞体内搭建了一套HLS监测系统,更进一步验证利用该套HLS系统进行固体潮修正的可靠性。 6.为了更广泛地研究固体潮修正模型,完成了基于瑞士CERN和日本Spring-8加速器实验室的HLS数据的固体潮改正研究。 本论文首先提出了粒子加速器中复杂静力水准系统的精度理论与验证研究,属于首创。通过运用多学科的知识,综合研究HLS系统的各个影响因素,可以更严格、更科学地反映HLS的真实测量精度。采用理论和实验相结合的方法是本项目的特色,对静力水准系统进行全面的理论研究和实验验证,为正在使用的和将要使用的静力水准系统提供科学的评价标准。 本论文研究工作的完成,为已经建成以及即将开始建设的新一代粒子加速器中使用静力水准系统获得更高精度的测量数据奠定了基础,具有重要意义。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL506
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 概述
    1.1 静力水准系统测量原理及应用
        1.1.1 静力水准系统测量原理
        1.1.2 静力水准系统在国内外的应用
    1.2 课题的研究背景、内容和意义
    1.3 创新点
    1.4 本章小结
第二章 固体地球潮及海洋潮汐相关理论基础
    2.1 固体地球潮的概念
    2.2 引潮位及其展开
    2.3 勒夫(LOVE)数和潮汐因子
    2.4 倾斜固体潮观测
    2.5 海洋潮汐的概念及海潮负荷效应计算
        2.5.1 负荷勒夫数
        2.5.2 倾斜潮汐观测的海潮负荷改正计算
        2.5.3 潮汐观测残差和剩余残差
    2.6 大气负荷对潮汐观测的影响
    2.7 本章小结
第三章 温度和压力等因素对HLS测量精度的影响研究
    3.1 HLS的温度补偿研究
    3.2 液面压力变化对HLS读数的影响
    3.3 地面振动及重力异常对HLS读数的影响
    3.4 本章小结
第四章 数据预处理及调和分析软件
    4.1 数据预处理
        4.1.1 预处理方法简介
        4.1.2 软件Tsoft的输入
        4.1.3 Tsoft软件的输出
        4.1.4 软件基本操作说明
        4.1.5 Tsoft软件修正器介绍
    4.2 数据的调和分析
        4.2.1 ETERNA34软件
        4.2.2 Eterna34相关模块介绍
    4.3 调和分析步骤以及各模块使用方法、注意事项
    4.4 本章小结
第五章 潮汐现象在HLS监测数据中的呈现及研究
    5.1 潮汐现象在HLS监测数据中的呈现
        5.1.1 NSRL实验室20m实验平台搭建
        5.1.2 潮汐现象的呈现及验证
        5.1.3 本节小结
    5.2 泾县地震台HLS数据调和分析
        5.2.1 实验平台搭建
        5.2.2 南北向HLS监测数据预处理及调和分析
        5.2.3 东西向HLS监测数据预处理及调和分析
        5.2.4 HLS监测数据倾斜固体潮改正
        5.2.5 本节小结
    5.3 HLS数据与泾县地震台DSQ水管倾斜仪数据比对分析研究
        5.3.1 泾县DSQ水管倾斜仪数据分析
        5.3.2 两套仪器监测数据对比分析
        5.3.3 本节小结
    5.4 基于CERN实验室HLS数据的固体潮改正实验研究
        5.4.1 TT1隧道内HLS系统实验研究
        5.4.2 数据的获得及数据分析
        5.4.3 本节小结
    5.5 基于SPRING-8实验室HLS数据相关研究
        5.5.1 监测平台的搭建
        5.5.2 数据分析及结果
        5.5.3 本节小结
    5.6 本章小结
第六章 结论
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

【参考文献】

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本文编号：2838917