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振动分析有助于中微子实验

费米实验室是美国领先的粒子物理实验室,经营着世界上最先进的粒子加速器。科学家们使用粒子加速器来研究宇宙中一些最陌生的粒子:中微子。最近的一个振动分析项目发现了用于向明尼苏达州发射中微子束的强磁力喇叭中小裂痕的原因。

费米实验室由美国能源部的费米研究联盟负责管理,它与来自世界各地的科学家合作研究中微子,中微子是宇宙中最丰富的粒子之一。虽然中微子遍布我们周围,但是它们却很难研究。

为什么中微子很重要?
中微子可以提供关于宇宙本质的一些最根本的问题的答案:我们为什么存在,为什么宇宙中充满物质而不是光和辐射。中微子最奇怪的一个方面是它们能振荡或从一种类型的中微子变到另一种中微子。

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作为主注射器中微子振荡搜索(MINOS)项目的一部分,科学家正在研究中微子振荡,看是否可以回答关于宇宙中物质丰富的问题,或者引出新的物理学科。

“我们预计下一代喇叭的使用寿命将会提高2倍。”
克里斯·安德森

用于开创性实验的高强波束
因为费米实验室中的中微子行驶速度接近光速,所以物理学家必须将探测器放在远处,以允许中微子有足够的时间振荡。MINOS项目使用两个探测器,一个在伊利诺斯州的费米实验室,另一个在距离明尼苏达州450英里的地方。费米实验室的粒子加速器产生强烈的高能中微子波束,并将波束发送到明尼苏达州,那里有一个6,000吨重的钢铁探测器正在搜寻在瞬间旅程中改变光谱的中微子,如此科学家们方能研究中微子的振荡。

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为了制造中微子,首先由质子与目标相互作用产生被称为“介子”的亚原子粒子,然后用两个强大的磁力喇叭集中作用,并沿着一条极长的衰变管行驶。在衰变管中飞行的时候,这些介子衰变成中一个微子和一个m介子。中微子波束不是连续的流,而是一系列脉冲。

波束循环时间为1.33秒,每个10µsec批次输送每脉冲4E13个质子,产生400 kW的平均入射波束功率。对于每个波束脉冲,磁性喇叭被输入一个电脉冲,其峰值电流高达200 kA 且持续2.3毫秒,然后集中到由目标相互作用产生的介子,并将它们放置在通过衰减管道轨迹,并行驶到位于明尼苏达州的检测器。

功率增加意味着设计变化
第一束中微子于2005年被传输到明尼苏达州,多年来,波束功率从400千瓦入射波束功率增加到700千瓦。这增加了聚焦喇叭中的加热强度和热应力,并降低了疲劳寿命的安全系数,所以要改变喇叭设计。此外,环境中的恶劣条件加速了腐蚀并引起辐射损伤,从而减少部件寿命。需进行设计变更以改善冷却和提高疲劳寿命。起初设计的喇叭寿命为1000万次脉冲,疲劳安全系数超过2次。

新的700 kW喇叭的设计寿命已经超过5000万个脉冲,但是在2700万次脉冲之后,喇叭上的电动总线带状线产生了断痕。带状线是具有多个独特边界条件和局部模态阻尼的变化较大的复杂结构。

发现根本原因
费米实验室的首席项目工程师Kris E. Anderson负责发现问题的根本原因。他正展开一个振动分析项目用于描述700 kW喇叭带状线的动态响应。

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PULSE Reflex™中的模态振型动画

要进行全面的模态分析——得到喇叭中的带状线组件的模态参数,测量在典型工况条件下带状线导体上的运行振动数据,并进行运行振动分析。

然后将测量数据用于分析模型,以预测喇叭在应力和应变方面的使用寿命,根据结果得到完整运行系统的预期响应。

微型三轴加速度计
测试使用了一个备用的700 kW喇叭,创建了几何结构,并设置了加速度计。使用标准模态测试技术—包括三轴加速度计,传感器和振动台—从现有的有限元(FEA)网格模型中选出约200个点,以创建实验模态分析(EMA)模型。

这些点在实际的带状线导体表面上都有标记,以引导实时测量时安装振动传感器。使用10磅动态力的振动台来激发带状线的模态。

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在实际电脉冲测试中,三个微型三轴加速度计安装在带状线上以测量振动,系统用50,100和200 kA的电流驱动。先采集时域数据,然后生成频域数据。随后多个频谱在时间上等间隔分布(共8秒钟,每秒100个频谱),生成时间-频率-幅值的曲面图。

过度共振
在断裂位置处,喇叭在120Hz,特别是424Hz存在小阻尼的模态。当以每1.33秒的电喇叭脉冲驱动时,这些小阻尼模态导致由电磁导力引起的局部导体位移增加,该区域的模态振荡在1.33秒循环时间内施加了数百个周期显著的振动周期。实质上,这2700万个周期导致的失效点接近了千兆周的疲劳状态。

增加运行使用寿命
在相关区域使用夹钳约束,进一步测试显示成功地消除了该破坏性共振。还实施了其他设计改进,以减少振动位移的峰值和提高模态频率,从而减少位移和随后的导体应力。该数据加深了对解决当前设计中问题的理解,并有助于提高未来设计中的疲劳安全系数。

计划对以后提出的带状线设计进行模态测试和振动测量,以进一步了解带状线响应的复杂特性。
 
克里斯•安德森(Kris Anderson)评论道:“我们预计下一代喇叭的使用寿命将会提高2倍。通过对模态数据的分析,未来设计的使用寿命会显著增长。”