藏在大科学装置里的低调功臣：不起眼的铝型材，为何成为极端条件装置的关键？

实验室是现代科学与技术发展过程中不可缺少的组成部分，它广泛存在于大学，科研院所以及企业中，承载着科学知识生产、技术开发、质量测试等专业领域的功能，并且能够提供系统化、普及化的科学训练[1]。实验室的发展，与科技、社会以及经济发展密切关联，全球范围内大科学装置的产生及兴起代表了当前科学技术研究范式的一种演变路径。大科学装置可以简单认为是大型的实验室，以解决具有战略性、基础性、前瞻性的科学技术问题为目标，需要大规模的资金、人力投入，建设周期长，建设难度大，建成后运行时间长[2]。

中国现在已经建设和运行了一批大科学装置，比如北京正负电子对撞机、贵州天眼500米口径球面射电望远镜、合肥全超导托克马克聚变实验装置、武汉脉冲强磁场实验室等等。笔者感觉，对于不在大科学装置工作学习的读者来说，单从媒体正式报道中了解大科学装置，也许看到了复杂的、日常生活中没有的设备，知道了几个关键的性能指标具有先进性，仍然可能会觉得神秘和遥远。因此笔者想换一个角度，向大家介绍我们在综合极端条件实验装置一个实验站的工作中，以工业T型槽铝型材为基础实现的一些小功能或者解决的一些小问题，籍此给读者一个较为直观的图像，一个具体的大科学装置的科研活动中都可能有哪些内容，并且这些内容距离日常的工业生产并不遥远。对于已经在使用工业铝型材开展工作的读者，也许也能提供一些参考和启发。

图一：一种4040欧标铝型材的模型以及横截面视图

首先我们介绍工业T型槽铝型材的特点。这种铝型材（英文常用Aluminum Profile）的材料并不是纯铝，而是铝合金，具有不同的牌号，对应不同的强度性能。它的形貌是一个横截面具有复杂的，中空的形状的棱柱，在棱柱的侧面上，具有至少一条贯通的T型槽用于安装标准化的紧固件。图一展示了一个4040欧标（欧洲标准）铝型材的模型及横截面。这里的4040代表横截面的外轮廓是边长40毫米的正方形。对这款型材，4个侧面的T型槽均可用于安装紧固件，截面的中心孔也可以通过加工螺纹来实现螺栓紧固。这就是T型槽铝型材的核心特征：不需要焊接，而是使用紧固件进行连接。同时，这类型材的形貌使它们可以像乐高积木一样拼接，具有优秀的模块化拓展能力。此外，铝合金材料本身表面氧化后不易腐蚀，铝合金材料回收利用能耗低，使其应用具有经济性。因此，自20世纪70年代工业T槽铝型材标准出现以后，逐渐在快速构建机械框架、设备防护罩、工作台和自动化流水线等工业领域获得了广泛应用，在当前的光伏产业，智能制造中仍在不断发展。现在，如果你在国内网络购物平台上搜索常见的工业T槽铝型材型号，比如欧标4040，可以轻松看到上百页的列表，包括型材本身、各种配件、定制化服务及定制化产品等。这反映了工业铝型材应用的广泛，以及在大规模工业化生产下价格的降低。

图二：铝合金型材的一种负载计算模型，图片来自米思米网站

工业铝型材易用，好用的一个原因是它能够提供良好的强度-重量比例。对于强度，我们通常说的“结实”过于笼统，在物理和工程上需要具有明确定义的参数来定量的比较。比如弹性模量，描述材料抵抗弹性形变能力，是材料固有属性；屈服强度，描述材料发生明显塑性形变时的应力，与材料本身的性质及热处理状态有关；截面惯性矩，描述一个具体的型材截面抵抗弯曲变形的能力，由截面的几何构形决定。图二是米思米网站[3]上给出的铝合金型材容许负载计算的模型，支撑形式为两端简支梁。图中P表示负载，E表示弹性模量，I表示截面惯性矩，δ表示形变量。可以看到，形变量的大小与弹性模量和截面惯性矩成简单反比，与粱的长度的三次方成正比。对于型号NEFS8的4040型材（通常规格，非重型），每米重量为1.61公斤。若对一米长的型材在中间点施加负载，需要35公斤力才能在型材上产生1毫米的形变，而对半米长的型材，产生0.5毫米形变就需要增加到144公斤力[4]。因此，对于常见的，轻负载且只有静态负载的应用，比如一个放置小型仪表，总承重不超过100公斤的置物架，铝型材结构的强度通常都是“富余”，不需要专门去考虑，这就进一步简化了设计的过程。

接下来我们就展开实验站内运用工业铝型材的实例，以一张图片一段文字的形式，顺带一些实验站工作的介绍。

1.光纤-以太网转换模块笼

图三：光纤-以太网转换模块笼

实验站需要对很多设备采集数据。但设备和采集电脑之间可能距离会比较远，若使用以太网通讯，得考虑信号的衰减以及干扰。此外，以太网电缆还会在电脑及设备间形成一个导电通路，需要进行隔离。我们采用的方案是在设备端用集线器+以太网-光纤转换模块，在电脑端用光纤-以太网模块，两端间用光纤连接。这些模块都是货架工业产品，采用导轨安装的形式，但还需要一个外壳。于是我们用2020型材搭出尺寸适合的笼子，可以方便的安装导轨和模块，以及连接、固定线缆，具有足够的整体强度，表面还覆盖了铝丝网/铝冲孔板形成半封闭的结构。

2.仪器仪表架

图四：仪器仪表架

实验室中所用的仪器仪表的尺寸，多数是按照能够在19英寸机柜中安装设计的，这也是工业设计模块化、标准化的体现。因此常见做法是购买标准机柜来安放仪器仪表。对于我们实验站的实验，由于对不同的测量需要使用不同的仪表，因此设备架上安装的仪表需要能够灵活变动。此外，对于需要在不同的磁体系统上开展的实验，设备架需要可移动，且移动过程中震动小，到位后可锁定。基于这些考虑，我们使用标准4040铝型材搭建了仪器仪表架，宽度能够并列放置两台19英寸的仪表，高度可以叠放2台3U高度的设备并有余量。脚轮使用大直径，带锁定的聚氨酯脚轮。这样的一个仪器仪表架，仪表容量大约可认为是相同高度标准19英寸机柜的两倍，而且它不像常见的“瘦高个”19英寸机柜，移动起来更稳定。在使用中，我们可以方便地把用于一个样品测量的仪表汇集在一起，比如对一个低电阻样品的四引线法交流电阻测量，可以在一台全宽度的锁相放大器上叠放一台半宽度交流源表和一台半宽度前置放大器。在实验中，这种安放方式仪表间互联需要的接线长度短，当需要调整一个样品的测量参数时，也可以快速地定位。基于铝型材T型槽的扩展功能，我们还在仪表架立柱安装了带有分控功能的电源插座（Power Distribution Unit，PDU）和把手，在侧面横梁上安装了实验线缆临时挂架。

3.磁体电源支架

图五：磁体电源支架

我们实验站有三套超导磁体，每套磁体都需要有磁体电源。厂家提供的磁体电源已经集成到机柜中。但是这个机柜比较矮，在设备前面板上操作时总需要弯腰，人机工效差。此外，由于这类磁体电源包含大量功率器件，需要连续的风冷，放在地面上风道内积灰的可能性更高。并且，为了保证磁体的运行，磁体电源的供电经过了不间断电源（UPS），为了降低可能的高频成分对磁体电源的影响，我们在UPS和磁体电源间增加了一台1：1隔离变压器，这台变压器的安放需要空间，且周围需要有一定的防护。基于以上考虑，我们使用标准4040铝型材制作了磁体电源支架，支脚使用可移动的水平调节轮，将磁体电源机柜整体抬升至操作前面板比较舒适的高度，同时支架下面的空间刚好可以放置隔离变压器。在使用过程中我们还发现，磁体电源背面的电源输入接口以及直流大电流输出端口比较暴露，有误触的风险。得益于铝型材的扩展性，我们增加了立柱，用5 mm厚亚克力板对输入接口和输出端口做了遮挡，起到“你能看到，但不能直接接触到”的保护效果。

4.屏风

图六：屏风

实验站所在的实验大厅整体是开放性的，在公共区域（走廊）和实验区域间，需要有物理的隔离，以减少对实验的干扰。但这种隔离又不同于一个房间的墙壁，需要保持视野，而且可以根据需求重新规划。因此需要透明的，可移动式的屏风，耐久性好，且最好能够自己站立。参考工业围栏的设计，我们使用轻型4040铝型材和6mm亚克力板制作了屏风。亚克力板边沿镶嵌U型胶条后可直接卡在铝型材的T型槽内，铝型材使用端面攻丝孔+穿过型材的螺栓固定成为框架，整体组装简单快捷。我们还想到了可能的功能扩展：在亚克力板上贴一层透明白板膜，将屏风变成一个大号透明白板，因为实验室里总是有写写画画的需求。以及使用双面磁贴固定通告或备忘录，将屏风当作一个告示牌来使用。

5.测量信号线缆桥架

图七：测量信号线缆桥架

我们实验站的主力磁体：高低温超导混合磁体的漏磁场比通常的低温超导实验磁体大，满场时10高斯线大约在以磁体中心轴位置为圆心，半径6米的圆周上。因此所有测量仪表需要放置在6米以外，以保证磁场不对仪表造成干扰。在实验过程中，从磁体位置引出的测量信号线需要接到仪表。这些信号引线如何放置需要考虑两个方面，首先是测量引线应当尽可能不被扰动，以免引入干扰，比如放置在地面时人员走动或设备移动引起引线的震动，或悬空时空调机组吹风引起的引线的震动，其次是不能形成安全隐患，比如把人绊倒。因此使用架空的桥架是一个可行的选择。根据实验站中测量仪表和磁体的相对位置，我们在磁体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，使用标准4040型材制作一根斜梁，高端固定在控制间的铝型材立柱上，低端固定在磁体基坑附近的立柱上。斜梁最低点距地面1.9米，人员走动和设备移动均不受影响。在斜梁上固定了卡扣式铝合金线槽，测量引线可全部埋入线槽中。实际使用中，引线从测量仪表出发，经过斜梁上的线槽到达立柱后，再通过一个铝合金支撑臂上的线槽向磁体延伸至距中心轴约0.5米的位置，然后悬空接入磁体上的测量引线接口。在大部分引线经过的路径上都获得了支撑和保护。实验结束后，只需将铝合金线槽的盖板打开即可将信号引线移走。

6.测量杆支架

图八：测量杆支架

我们实验站的低温制冷机包括稀释制冷机和氦4制冷机，均为顶部装载系统。使用时从磁体杜瓦顶部通过交换腔将测量杆头部降至磁场中心。这些测量杆的长度均在3米以上，维护测量杆、在测量杆上装卸样品和器件，都在工作台上进行。测量杆上有若干引线接口，测量杆的真空护套上有若干抽气接口和阀门，使得整个测量杆不能平整的放置在工作台面上。原来简单的办法是用几个硬泡沫塑料块把测量杆支撑起来，但很难保证平整，而且还不易调节，长时间容易导致测量杆的杆身变形，使整个测量杆不够准直。我们的解决方案是用一根轻型4040铝型材作为骨架，在一个侧面的T型槽里面装入滑块螺母，用手拧螺丝固定L型铝合金连接件（标准货架产品），然后在L型连接件上用手拧螺丝固定具有V型槽的尼龙支撑件。L型连接件在铝型材骨架上的位置和V尼龙支撑件的高度均可以方便地调节。通过这种方法，我们可以把整根测量杆可靠地支撑住，保持准直，工作时还可以通过旋转杆身，方便地面对测量杆头部的不同位置操作。最近我们在一个国外低温设备公司的网站上看到他们在展示自己的测量杆产品时，使用了和我们相似构造的测量杆支架，不禁让人会心一笑。

7.显微镜支架

图九：显微镜支架

我们实验中用到的样品/器件的尺寸，大约是从百微米级到毫米级，因此很多操作都需要在体视显微镜下进行。原有显微镜都是直接放置在工作台上，在使用中我们发现，首先是显微镜支架在工作台上需要占用空间，若配置了CCD相机和显示器占用空间更大；其次是显微镜原配支架高度和水平调节范围有限，若要买原厂大型，大调节范围支架，则要占据更多台面空间，价格还高；再次是在高放大倍数下工作时，置于台面上的显微镜对震动敏感，可能眼镜轻微触碰一下目镜就会导致视野内物体丢失。因此我们需要一个独立于工作台的，具有大的水平和高度调节范围的，稳固的，可移动的显微镜支架。现有解决方案使用标准4040铝型材+导轨形成水平臂，铝型材一端通过机械加工的转接件连接显微镜。导轨穿过固定在轴盒中的滑块轴承形成水平自由度。轴盒抱在竖直圆立柱上形成转动自由度，圆立柱底端固定在一个手摇蜗杆升降台上形成垂直自由度，滑轨和立柱可用紧定扳手螺丝锁定。上面几个部分的组合体以一块铸铁板为底座，并通过螺栓固定在一个用标准4040铝型材搭建的框架上，形成一个完整的独立显微镜支架。目前这个“显微镜工作站”工作正常，经常被我们推到实验室的不同位置使用。

8.磁体杜瓦支架

图十：磁体杜瓦支架

我们实验站主力高低温超导混合磁体安装在它的专属容器：低温杜瓦中。整个杜瓦高度约2.3米，磁体+杜瓦总重量约2吨。整个杜瓦放置在一个低于地面的基坑中，需要一个坚固的，同时提供调节水平和减震功能的支架，而且整个支架需要无磁。在设计阶段，我们考虑了以前使用过的铝合金管焊接的形式，但铝合金焊接对技术有要求，对于这个尺寸的框架，能否一次焊接成功，焊接后框架是否能保证平整，我们咨询的几个厂家要么不能保证，要么报价超过我们的预期。由此我们还是采用了T槽铝型材+机械加工连接件搭建的方式。考虑承重，立柱采用了160 mm X 160 mm的重型型材，顶横梁采用160 mm X 80 mm重型型材，交叉斜筋采用80 mm X 40 mm重型型材。每根立柱与相邻的两根顶横梁通过三角型连接板连接，构成顶部正方形框架，同时连接板上预留安装空气弹簧的螺孔位。立柱形成的四个侧面上通过T型槽安装两组交叉斜筋，并在靠近底部地脚的位置用一根玻璃纤维环氧树脂横梁限位和加强。地脚为双层，底层用不锈钢膨胀螺栓固定在地面上，顶层先固定在立柱上，再通过螺栓固定在底层地脚上，两层地脚间可通过插入薄铝片来精细调平。整个磁体杜瓦支架安装到位后，我们请工程师用加速度计测量了磁体基坑外侧地面和磁体杜瓦支架顶部的振动谱，结果表明这个支架有效抑制了高频的振动谱。

至此，对我们实验站内运用铝型材的介绍告一段落。当然不单我们实验站，整个综合极端条件实验装置内的很多实验站都在运用铝型材，比如搭建洁净间内光学平台上方的悬挂仪器架、搭建登高工作台、搭建综合布线线缆桥架等等。需要说明的是，我们并不是“为了使用铝型材而使用铝型材”，而是在考虑了使用环境限制，制作周期、制作成本、维护便利性等因素后作出的选择。而且得益于我国铝型材工业的快速发展，使得在实验室内使用铝型材的工作可以高效的完成。铝型材工业自身也在不断进步，比如具有更优良性能的铝合金牌号，复杂结构铝合金型材的设计和制造等。我们期待能从铝型材工业的进步中持续获益。

最后，笔者以使用铝型材过程中的一些经验结束全文：

(1) 欧标铝型材比国标铝型材型号更多，配件更丰富；

(2) 对于有承重要求的结构，不要完全依赖外部连接件，使用螺栓和铝型材上的攻丝螺纹孔连接，并分散承重；

(3)对于大尺寸结构，设计配合件时要考虑型材切割时的误差，留出余量；

(4) 铝型材不光可以应用在工作中，在生活中也可以有温度的使用，比如家用的置物架、儿童的模块化自行车[5]等，有丰富的DIY的可能性。

参考文献：

[1] 鲁世林，李侠，“实验室史”：一个理解科学活动变迁的必要视角，自然辩证法通讯，第46卷， 第1期，2024

[2] 中国科学院综合计划局，基础科学局，我国大科学装置发展战略研究和政策建议，中国科学基金，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/

来源：综合极端条件实验装置

编辑：辣条