粒子加速器中复杂静力水准系统精度的理论与验证研究

本项目对粒子加速器中使用的复杂结构的静力水准系统（HLS）的精度研究，包括对影响HLS精度的客观因素的理论研究和新型实验方法的研究。运用物理学、地球科学和数学相关理论，对特定区域和特定环境中的HLS从理论上提出一套新型的影响HLS系统精度、以相关因素为变量的数学或物理模型（简称"精度模型"），并进行模拟计算和结果分析；研究新型实验方法，利用现有的HLS传感器建立精度验证系统，并运用新型的验证方法实施验证实验。通过这个研究过程可以总结出一套完整的、准确的、针对不同区域和环境中的HLS的各种影响其精度的因素的精度模型的建立方法，并能够有针对性地、高效地建立一套验证系统，通过实验确定系统的精度补偿因子。这种方法应用于加速器中的高精度的静力水准系统的研究具有重要意义，它可以解决粒子加速器中复杂的HLS系统精度难以确定、难以补偿的难题。这些理论和技术可以广泛应用于加速器装置和未来新光源的装置中。

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高程变化量，它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。随着加速器新理论和技术的发展，三代光源加速器不断出现，尤其以自由电子激光装置为代表的第四代光源的加速器工程对准直精度的要求越来越高，即对铅垂方向的监测精度也越来越高，甚至在大距离的监测点之间的监测精度要求达到微米精度，因此仅仅单方面靠提高HLS传感器的精度是不可行的。.本项目要研究了影响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及实例研究，进而提出了剔除这一系列影响因素的方法：首先，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。其次，地球是个受各种力作用的复杂运动星体，地球上任意一点不仅仅受到重力的作用，还受到日月等天体的引潮力的作用。地球在引潮力作用下，固体地球会发生周期性的形变，倾斜固体潮周期性的在HLS读数中呈现，所以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。此外，地面振动、压力等因素都会在一定程度上对HLS测量产生影响。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，将相关的干扰因素影响量去除掉，再对数据进行调和分析，得到当地的潮波模型，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。.最后将调和分析结果和泾县地震台内用于地震和地面形变监测的DSQ型水管倾斜仪数据调和分析结果进行比对，得出两者的计算结果吻合，从根本上验证了使用静力水准系统在进行高精度粒子加速器准直工作中，可以通过HLS监测数据得出当地的潮波模型，将潮汐的影响部分精确去除掉，从而达到预期的HLS微米级精度修正目标。.上述工作的完成为静力水准系统在已经建成的以及即将开始建设的高精度 (微米量级)加速器准直测量中的应用奠定基础。