藏在大科學裝置里的低調功臣：不起眼的鋁型材，為何成為極端條件裝置的關鍵？

實驗室是現代科學與技術發展過程中不可缺少的組成部分，它廣泛存在于大學，科研院所以及企業中，承載著科學知識生產、技術開發、質量測試等專業領域的功能，并且能夠提供系統化、普及化的科學訓練[1]。實驗室的發展，與科技、社會以及經濟發展密切關聯，全球范圍內大科學裝置的產生及興起代表了當前科學技術研究范式的一種演變路徑。大科學裝置可以簡單認為是大型的實驗室，以解決具有戰略性、基礎性、前瞻性的科學技術問題為目標，需要大規模的資金、人力投入，建設周期長，建設難度大，建成后運行時間長[2]。

中國現在已經建設和運行了一批大科學裝置，比如北京正負電子對撞機、貴州天眼500米口徑球面射電望遠鏡、合肥全超導托克馬克聚變實驗裝置、武漢脈沖強磁場實驗室等等。筆者感覺，對于不在大科學裝置工作學習的讀者來說，單從媒體正式報道中了解大科學裝置，也許看到了復雜的、日常生活中沒有的設備，知道了幾個關鍵的性能指標具有先進性，仍然可能會覺得神秘和遙遠。因此筆者想換一個角度，向大家介紹我們在綜合極端條件實驗裝置一個實驗站的工作中，以工業T型槽鋁型材為基礎實現的一些小功能或者解決的一些小問題，籍此給讀者一個較為直觀的圖像，一個具體的大科學裝置的科研活動中都可能有哪些內容，并且這些內容距離日常的工業生產并不遙遠。對于已經在使用工業鋁型材開展工作的讀者，也許也能提供一些參考和啟發。

圖一：一種4040歐標鋁型材的模型以及橫截面視圖

首先我們介紹工業T型槽鋁型材的特點。這種鋁型材（英文常用Aluminum Profile）的材料并不是純鋁，而是鋁合金，具有不同的牌號，對應不同的強度性能。它的形貌是一個橫截面具有復雜的，中空的形狀的棱柱，在棱柱的側面上，具有至少一條貫通的T型槽用于安裝標準化的緊固件。圖一展示了一個4040歐標（歐洲標準）鋁型材的模型及橫截面。這里的4040代表橫截面的外輪廓是邊長40毫米的正方形。對這款型材，4個側面的T型槽均可用于安裝緊固件，截面的中心孔也可以通過加工螺紋來實現螺栓緊固。這就是T型槽鋁型材的核心特征：不需要焊接，而是使用緊固件進行連接。同時，這類型材的形貌使它們可以像樂高積木一樣拼接，具有優秀的模塊化拓展能力。此外，鋁合金材料本身表面氧化后不易腐蝕，鋁合金材料回收利用能耗低，使其應用具有經濟性。因此，自20世紀70年代工業T槽鋁型材標準出現以后，逐漸在快速構建機械框架、設備防護罩、工作臺和自動化流水線等工業領域獲得了廣泛應用，在當前的光伏產業，智能制造中仍在不斷發展。現在，如果你在國內網絡購物平臺上搜索常見的工業T槽鋁型材型號，比如歐標4040，可以輕松看到上百頁的列表，包括型材本身、各種配件、定制化服務及定制化產品等。這反映了工業鋁型材應用的廣泛，以及在大規模工業化生產下價格的降低。

圖二：鋁合金型材的一種負載計算模型，圖片來自米思米網站

工業鋁型材易用，好用的一個原因是它能夠提供良好的強度-重量比例。對于強度，我們通常說的“結實”過于籠統，在物理和工程上需要具有明確定義的參數來定量的比較。比如彈性模量，描述材料抵抗彈性形變能力，是材料固有屬性；屈服強度，描述材料發生明顯塑性形變時的應力，與材料本身的性質及熱處理狀態有關；截面慣性矩，描述一個具體的型材截面抵抗彎曲變形的能力，由截面的幾何構形決定。圖二是米思米網站[3]上給出的鋁合金型材容許負載計算的模型，支撐形式為兩端簡支梁。圖中P表示負載，E表示彈性模量，I表示截面慣性矩，δ表示形變量。可以看到，形變量的大小與彈性模量和截面慣性矩成簡單反比，與粱的長度的三次方成正比。對于型號NEFS8的4040型材（通常規格，非重型），每米重量為1.61公斤。若對一米長的型材在中間點施加負載，需要35公斤力才能在型材上產生1毫米的形變，而對半米長的型材，產生0.5毫米形變就需要增加到144公斤力[4]。因此，對于常見的，輕負載且只有靜態負載的應用，比如一個放置小型儀表，總承重不超過100公斤的置物架，鋁型材結構的強度通常都是“富余”，不需要專門去考慮，這就進一步簡化了設計的過程。

接下來我們就展開實驗站內運用工業鋁型材的實例，以一張圖片一段文字的形式，順帶一些實驗站工作的介紹。

1.光纖-以太網轉換模塊籠

圖三：光纖-以太網轉換模塊籠

實驗站需要對很多設備采集數據。但設備和采集電腦之間可能距離會比較遠，若使用以太網通訊，得考慮信號的衰減以及干擾。此外，以太網電纜還會在電腦及設備間形成一個導電通路，需要進行隔離。我們采用的方案是在設備端用集線器+以太網-光纖轉換模塊，在電腦端用光纖-以太網模塊，兩端間用光纖連接。這些模塊都是貨架工業產品，采用導軌安裝的形式，但還需要一個外殼。于是我們用2020型材搭出尺寸適合的籠子，可以方便的安裝導軌和模塊，以及連接、固定線纜，具有足夠的整體強度，表面還覆蓋了鋁絲網/鋁沖孔板形成半封閉的結構。

2.儀器儀表架

圖四：儀器儀表架

實驗室中所用的儀器儀表的尺寸，多數是按照能夠在19英寸機柜中安裝設計的，這也是工業設計模塊化、標準化的體現。因此常見做法是購買標準機柜來安放儀器儀表。對于我們實驗站的實驗，由于對不同的測量需要使用不同的儀表，因此設備架上安裝的儀表需要能夠靈活變動。此外，對于需要在不同的磁體系統上開展的實驗，設備架需要可移動，且移動過程中震動小，到位后可鎖定。基于這些考慮，我們使用標準4040鋁型材搭建了儀器儀表架，寬度能夠并列放置兩臺19英寸的儀表，高度可以疊放2臺3U高度的設備并有余量。腳輪使用大直徑，帶鎖定的聚氨酯腳輪。這樣的一個儀器儀表架，儀表容量大約可認為是相同高度標準19英寸機柜的兩倍，而且它不像常見的“瘦高個”19英寸機柜，移動起來更穩定。在使用中，我們可以方便地把用于一個樣品測量的儀表匯集在一起，比如對一個低電阻樣品的四引線法交流電阻測量，可以在一臺全寬度的鎖相放大器上疊放一臺半寬度交流源表和一臺半寬度前置放大器。在實驗中，這種安放方式儀表間互聯需要的接線長度短，當需要調整一個樣品的測量參數時，也可以快速地定位。基于鋁型材T型槽的擴展功能，我們還在儀表架立柱安裝了帶有分控功能的電源插座（Power Distribution Unit，PDU）和把手，在側面橫梁上安裝了實驗線纜臨時掛架。

3.磁體電源支架

圖五：磁體電源支架

我們實驗站有三套超導磁體，每套磁體都需要有磁體電源。廠家提供的磁體電源已經集成到機柜中。但是這個機柜比較矮，在設備前面板上操作時總需要彎腰，人機工效差。此外，由于這類磁體電源包含大量功率器件，需要連續的風冷，放在地面上風道內積灰的可能性更高。并且，為了保證磁體的運行，磁體電源的供電經過了不間斷電源（UPS），為了降低可能的高頻成分對磁體電源的影響，我們在UPS和磁體電源間增加了一臺1：1隔離變壓器，這臺變壓器的安放需要空間，且周圍需要有一定的防護。基于以上考慮，我們使用標準4040鋁型材制作了磁體電源支架，支腳使用可移動的水平調節輪，將磁體電源機柜整體抬升至操作前面板比較舒適的高度，同時支架下面的空間剛好可以放置隔離變壓器。在使用過程中我們還發現，磁體電源背面的電源輸入接口以及直流大電流輸出端口比較暴露，有誤觸的風險。得益于鋁型材的擴展性，我們增加了立柱，用5 mm厚亞克力板對輸入接口和輸出端口做了遮擋，起到“你能看到，但不能直接接觸到”的保護效果。

4.屏風

圖六：屏風

實驗站所在的實驗大廳整體是開放性的，在公共區域（走廊）和實驗區域間，需要有物理的隔離，以減少對實驗的干擾。但這種隔離又不同于一個房間的墻壁，需要保持視野，而且可以根據需求重新規劃。因此需要透明的，可移動式的屏風，耐久性好，且最好能夠自己站立。參考工業圍欄的設計，我們使用輕型4040鋁型材和6mm亞克力板制作了屏風。亞克力板邊沿鑲嵌U型膠條后可直接卡在鋁型材的T型槽內，鋁型材使用端面攻絲孔+穿過型材的螺栓固定成為框架，整體組裝簡單快捷。我們還想到了可能的功能擴展：在亞克力板上貼一層透明白板膜，將屏風變成一個大號透明白板，因為實驗室里總是有寫寫畫畫的需求。以及使用雙面磁貼固定通告或備忘錄，將屏風當作一個告示牌來使用。

5.測量信號線纜橋架

圖七：測量信號線纜橋架

我們實驗站的主力磁體：高低溫超導混合磁體的漏磁場比通常的低溫超導實驗磁體大，滿場時10高斯線大約在以磁體中心軸位置為圓心，半徑6米的圓周上。因此所有測量儀表需要放置在6米以外，以保證磁場不對儀表造成干擾。在實驗過程中，從磁體位置引出的測量信號線需要接到儀表。這些信號引線如何放置需要考慮兩個方面，首先是測量引線應當盡可能不被擾動，以免引入干擾，比如放置在地面時人員走動或設備移動引起引線的震動，或懸空時空調機組吹風引起的引線的震動，其次是不能形成安全隱患，比如把人絆倒。因此使用架空的橋架是一個可行的選擇。根據實驗站中測量儀表和磁體的相對位置，我們在磁體基坑附近的地面上使用重型8080型材制作了一根立柱并固定，使用標準4040型材制作一根斜梁，高端固定在控制間的鋁型材立柱上，低端固定在磁體基坑附近的立柱上。斜梁最低點距地面1.9米，人員走動和設備移動均不受影響。在斜梁上固定了卡扣式鋁合金線槽，測量引線可全部埋入線槽中。實際使用中，引線從測量儀表出發，經過斜梁上的線槽到達立柱后，再通過一個鋁合金支撐臂上的線槽向磁體延伸至距中心軸約0.5米的位置，然后懸空接入磁體上的測量引線接口。在大部分引線經過的路徑上都獲得了支撐和保護。實驗結束后，只需將鋁合金線槽的蓋板打開即可將信號引線移走。

6.測量桿支架

圖八：測量桿支架

我們實驗站的低溫制冷機包括稀釋制冷機和氦4制冷機，均為頂部裝載系統。使用時從磁體杜瓦頂部通過交換腔將測量桿頭部降至磁場中心。這些測量桿的長度均在3米以上，維護測量桿、在測量桿上裝卸樣品和器件，都在工作臺上進行。測量桿上有若干引線接口，測量桿的真空護套上有若干抽氣接口和閥門，使得整個測量桿不能平整的放置在工作臺面上。原來簡單的辦法是用幾個硬泡沫塑料塊把測量桿支撐起來，但很難保證平整，而且還不易調節，長時間容易導致測量桿的桿身變形，使整個測量桿不夠準直。我們的解決方案是用一根輕型4040鋁型材作為骨架，在一個側面的T型槽里面裝入滑塊螺母，用手擰螺絲固定L型鋁合金連接件（標準貨架產品），然后在L型連接件上用手擰螺絲固定具有V型槽的尼龍支撐件。L型連接件在鋁型材骨架上的位置和V尼龍支撐件的高度均可以方便地調節。通過這種方法，我們可以把整根測量桿可靠地支撐住，保持準直，工作時還可以通過旋轉桿身，方便地面對測量桿頭部的不同位置操作。最近我們在一個國外低溫設備公司的網站上看到他們在展示自己的測量桿產品時，使用了和我們相似構造的測量桿支架，不禁讓人會心一笑。

7.顯微鏡支架

圖九：顯微鏡支架

我們實驗中用到的樣品/器件的尺寸，大約是從百微米級到毫米級，因此很多操作都需要在體視顯微鏡下進行。原有顯微鏡都是直接放置在工作臺上，在使用中我們發現，首先是顯微鏡支架在工作臺上需要占用空間，若配置了CCD相機和顯示器占用空間更大；其次是顯微鏡原配支架高度和水平調節范圍有限，若要買原廠大型，大調節范圍支架，則要占據更多臺面空間，價格還高；再次是在高放大倍數下工作時，置于臺面上的顯微鏡對震動敏感，可能眼鏡輕微觸碰一下目鏡就會導致視野內物體丟失。因此我們需要一個獨立于工作臺的，具有大的水平和高度調節范圍的，穩固的，可移動的顯微鏡支架。現有解決方案使用標準4040鋁型材+導軌形成水平臂，鋁型材一端通過機械加工的轉接件連接顯微鏡。導軌穿過固定在軸盒中的滑塊軸承形成水平自由度。軸盒抱在豎直圓立柱上形成轉動自由度，圓立柱底端固定在一個手搖蝸桿升降臺上形成垂直自由度，滑軌和立柱可用緊定扳手螺絲鎖定。上面幾個部分的組合體以一塊鑄鐵板為底座，并通過螺栓固定在一個用標準4040鋁型材搭建的框架上，形成一個完整的獨立顯微鏡支架。目前這個“顯微鏡工作站”工作正常，經常被我們推到實驗室的不同位置使用。

8.磁體杜瓦支架

圖十：磁體杜瓦支架

我們實驗站主力高低溫超導混合磁體安裝在它的專屬容器：低溫杜瓦中。整個杜瓦高度約2.3米，磁體+杜瓦總重量約2噸。整個杜瓦放置在一個低于地面的基坑中，需要一個堅固的，同時提供調節水平和減震功能的支架，而且整個支架需要無磁。在設計階段，我們考慮了以前使用過的鋁合金管焊接的形式，但鋁合金焊接對技術有要求，對于這個尺寸的框架，能否一次焊接成功，焊接后框架是否能保證平整，我們咨詢的幾個廠家要么不能保證，要么報價超過我們的預期。由此我們還是采用了T槽鋁型材+機械加工連接件搭建的方式。考慮承重，立柱采用了160 mm X 160 mm的重型型材，頂橫梁采用160 mm X 80 mm重型型材，交叉斜筋采用80 mm X 40 mm重型型材。每根立柱與相鄰的兩根頂橫梁通過三角型連接板連接，構成頂部正方形框架，同時連接板上預留安裝空氣彈簧的螺孔位。立柱形成的四個側面上通過T型槽安裝兩組交叉斜筋，并在靠近底部地腳的位置用一根玻璃纖維環氧樹脂橫梁限位和加強。地腳為雙層，底層用不銹鋼膨脹螺栓固定在地面上，頂層先固定在立柱上，再通過螺栓固定在底層地腳上，兩層地腳間可通過插入薄鋁片來精細調平。整個磁體杜瓦支架安裝到位后，我們請工程師用加速度計測量了磁體基坑外側地面和磁體杜瓦支架頂部的振動譜，結果表明這個支架有效抑制了高頻的振動譜。

至此，對我們實驗站內運用鋁型材的介紹告一段落。當然不單我們實驗站，整個綜合極端條件實驗裝置內的很多實驗站都在運用鋁型材，比如搭建潔凈間內光學平臺上方的懸掛儀器架、搭建登高工作臺、搭建綜合布線線纜橋架等等。需要說明的是，我們并不是“為了使用鋁型材而使用鋁型材”，而是在考慮了使用環境限制，制作周期、制作成本、維護便利性等因素后作出的選擇。而且得益于我國鋁型材工業的快速發展，使得在實驗室內使用鋁型材的工作可以高效的完成。鋁型材工業自身也在不斷進步，比如具有更優良性能的鋁合金牌號，復雜結構鋁合金型材的設計和制造等。我們期待能從鋁型材工業的進步中持續獲益。

最后，筆者以使用鋁型材過程中的一些經驗結束全文：

(1) 歐標鋁型材比國標鋁型材型號更多，配件更豐富；

(2) 對于有承重要求的結構，不要完全依賴外部連接件，使用螺栓和鋁型材上的攻絲螺紋孔連接，并分散承重；

(3)對于大尺寸結構，設計配合件時要考慮型材切割時的誤差，留出余量；

(4) 鋁型材不光可以應用在工作中，在生活中也可以有溫度的使用，比如家用的置物架、兒童的模塊化自行車[5]等，有豐富的DIY的可能性。

參考文獻：

[1] 魯世林，李俠，“實驗室史”：一個理解科學活動變遷的必要視角，自然辯證法通訊，第46卷， 第1期，2024

[2] 中國科學院綜合計劃局，基礎科學局，我國大科學裝置發展戰略研究和政策建議，中國科學基金，第18卷，第二期，2004

[3] https://www.misumi.com.cn/

[4] https://techinfo.misumi.com.cn/exportarticle/article/2596/

[5] https://www.infento.com/about-us/

來源：綜合極端條件實驗裝置

編輯：辣條