环境振动对icf固体激光驱动器光学元件稳定性的影响

环境振动对icf固体激光驱动器光学元件稳定性的影响

弹性强制聚变器（icf）是开展性能约束聚变研究的实验平台，是大规模的精光设计。ICF驱动器对内部光学元件的稳定性有极高的要求,要求光学元件在环境载荷(振动、温度等)作用下的响应(稳定性)小于1个微米。环境振动是影响大型ICF驱动器光学元件结构稳定性的主要因素,美国NIF(NationalIgnitionFacility,国家点火装置)装置在建设过程中对环境振动进行了大量的研究,并把环境振动分为宽带环境振动、局部振动等不同类型,把光学元件的稳定性指标分配到不同的激励源上,从而为光路的结构设计、激励源的设计提供理论依据。国内对大型ICF驱动器光路稳定性的研究仅根据稳定性要求对结构本身进行优化,而没有对影响结构稳定性的环境载荷进行研究。神光-Ⅲ原型装置(TIL,TechnicalIntegrateLine)是目前亚洲最大的ICF驱动器,该装置的建成对开展ICF驱动器结构稳定性研究提供了支撑条件。作者将根据环境振动对光路结构稳定性的影响,实验研究原型装置的振动激励源,并根据其大小确定权重,该研究可以得到影响光学元件稳定性的主要环境振动因素,从而为环境振动控制指明方向,为现有装置的能力提升及后续装置的建造提供参考。1随机振动激励下的多自由度响应随机过程可以分为平稳随机过程和非平稳随机过程。平稳随机过程的统计特征不随时间变化。根据严格平稳随机过程的定义,要判定一个随机过程是否是平稳随机过程,需要知道它的联合概率密度函数,这通常是十分困难的,因而工程上应用上,通常只考虑随机过程的一、二阶矩,并由此定义广义平稳随机过程,即满足均值为常数,相关函数只与时间间隔有关且平方均值有限的随机过程称为广义平稳随机过程;严格的说,实际工程中不存在平稳的随机振动,但从近似的角度出发,为了研究方便,常常假设随机过程是平稳随机过程。ICF固体激光驱动器中引起光学元件不稳定的振动激励源包括:宽带环境振动、局部振动、压力诱导振动等,这几种激励源都属于随机振动并且符合一定的统计规律,可以近似为平稳随机振动进行处理。大型ICF驱动器中,光机系统结构中大口径光学元件由镜架进行支撑,可以把光学元件——镜架简化为单自由度模型,镜架简化模型如图1所示,简化模型包含3部分内容,质量M,刚度K和阻尼C。其中光学元件简化为质量块M,镜架简化为模型的刚度K,镜架材料阻尼及连接阻尼简化阻尼C。在图1中X(t)为地面振动位移,光学元件的运动位移为Z(t),光学元件的振动方程可以表示为:..y+2ξωn˙y+ω2ny=-..x(t)(1)y..+2ξωny˙+ω2ny=−x..(t)(1)式中,y=Ζ(t)-X(t),ωn=√k/my=Z(t)−X(t),ωn=k/m−−−−√为固有频率,ξ=c2ωnm=c2√kmξ=c2ωnm=c2km√为阻尼比。假设镜架在随机振动激励下,激励谱为S0,根据虚拟激励法构造水平加速度,..˜x(t)=√S0eiωt(2)x˜..(t)=S0−−√eiωt(2)将其带入式(1),右端得:..˜y+2ξωn˙˜y+ω2n˜y=-√S0eiωt(3)由于右端为简谐载荷,易得其解为:˜y=-√S0eiωtωn2-ω2+j2ξωnω(4)于是由虚拟激励法推导出模型的响应功率谱为:Sy(ω)=..˜y⋅..˜y=S0(ωn2-ω2)2+4ξωn2ω2(5)输出均方值为:ωy2=12π∫∞-∞Sy(ω)dω=S02π∫∞-∞1(ωn2-ω2)2+4ξωn2ω2dω(6)根据特殊积分公式:Η(ω)=jωB+B0-ω2A2+jωA1+A0=∫∞-∞|Η(ω)|2dω=π(B02/A0)A2+B12A1A2(7)得:φ2y=S04ξ(2πfn)3(8)式中,S0为环境振动功率谱,φy为系统响应,f为系统固有频率。对单自由度系统而言,其在随机振动作用下的响应如式(8)所示,根据模态叠加原理,多自由度的响应可以用下式近似表示:φ2y=n∑i=1Si4ξi(2πfi)3(9)式中,n为总的模态阶数,ξi为第i阶模态阻尼比,fi为第i阶模态频率。对大厅内光学元件而言,其在互不相关的3个方向随机振动作用下响应表示为:φ2L=Sx4ξx(2πfx)3+Sy4ξy(2πfy)3+Sz4ξz(2πfz)3(10)式中,Sx、Sy、Sz分别为X、Y、Z向加速度功率谱,ξx、ξy、ξz为3个方向模态阻尼比,fx、fy、fz为3个方向频率。对同一结构而言在不同的激励下,假定不同方向上阻尼比,固有频率都是相同的,则式(10)写为:φ2L=S4ξx(2πf)3(11)其中,S=Sx+Sy+Sz(12)不同的激励源对其激励功率谱互不相关,在多个激励源共同作用下不同方向的激励功率谱为:Sx=√S2x1+S2x2+⋯+S2xn(13)Sy=√S2y1+S2y2+⋯+S2yn(14)Sz=√S2z1+S2z2+⋯+S2zn(15)式(13)～(15)中,Sxn、Syn、Szn分别为不同激励源在x、y、z向产生的激励功率谱。激励源权重可以根据激励源的比值得到,由式(11),可得:φ2L1∶φ2L2∶⋯∶φ2Ln=S1/S2∶⋯∶Sn(16)对激励源稳定性权重进行归一化,得:[ω1ω2⋮ωn]=[√S1/St√S2/St⋮√Sn/St](17)其中,St=√S1+√S2+⋯√Sn,ω1、ω2、…、ωn分别为不同激励源的权重指标。如果已知光学元件稳定性指标,则激励源稳定性指标为:[φL1φL2⋮φLn]=ΔXL[ω1ω2⋮ωn](18)其中,ΔXL为光学元件稳定性指标;根据式(18)就可以得到振动激励源的稳定性指标。以此为基础根据激励源的特性,对激励源特征值进行反演,得到环境振动激励源特征值。2环境振动实验研究2.1系统的结构组成实验仪器选用自主开发的多通道数据采集分析系统。该仪器由加速度传感器、数据采集卡、数据采集分析软件等几部分组成,图2为该系统的结构组成。该系统所采用的传感器为ICP低量程地震型加速度传感器,测试范围为0.07～300.00Hz,分辨率为10-6g,灵敏度为10V/g。该数据采集分析系统可以对采集的数据进行信号分析和处理,包括时域分析和频域分析如:幅度谱、功率谱、互功率谱、频率响应、脉冲响应、相关函数等处理。2.2空调诱导振动系统仿真分析神光-Ⅲ原型装置内主要的振动激励源包括:宽带环境振动、局部的真空机组、风机振动、暖通空调运行以及气体压力诱导振动。宽带环境振动主要和外部环境、地质结构有关,属于不可控激励源,而真空机组、风机振动、暖通空调诱导振动都属于可控激励源,可以根据稳定性指标要求进行改进。原型装置由8路激光组成,可以实现“对打”和“并打”两种打靶方式。这2种打靶方式要求激光从不同的角度引导进入靶室,这决定了靶场中光学元件的布置方式。为了实现这两种打靶方式,光学元件采用3层布置模式,图3为靶场结构示意图。为了分析不同位置光学元件在随机振动作用下的响应,对桁架层、中间层、地下层分别按安静、暖通空调(HVAC)开和暖通空调、真空机组同时开(为保证装置的恒温和洁净,暖通空调其它设备工作时一直运行)3种工况进行测试。为避免桁架对结构对振动的放大,影响结果的准确性,选取地下层测试数据进行振动激励源权重分析,图4为传感器测点布置图。3处理实验结果3.1振动对光学元件稳定性的影响如图5所示,数据采集过程中,采样频率为1024Hz,每个点数据采集长度为300s,为减小数据处理计算量,数据处理长度取100s。振动对光学元件稳定性的影响集中在低频段,数据分析只处理1～200Hz功率谱密度分布,为便于观察功率在整个频域上的分布,功率谱图纵坐标用对数坐标表示。从图5中可以看出,在1～200Hz范围内,功率谱分布比较均匀,并且在整个频率段范围内3个方向的功率谱都在10-14g2/Hz附近波动。X、Y、Z这3个方向的功率谱低频段Z向最大、Y向最小。3.2宽带环境激励与空调诱导振动共同作用宽带环境激励是环境激励因素综合作用的结果,属于不可控激励源,在实际的测试过程中,不可能避开宽带环境激励的影响,因此暖通空调(HVAC)激励的测量结果实际上是宽带环境激励与空调诱导振动共同作用的结果,对于宽带环境激励的影响只有在数据分析中进行处理。图6给出了靶场基础在暖通空调激励下1～200Hz加速度响应功率谱。从图6中可以看出,测点对暖通空调激励响应主要集中在低频段,在10～40Hz内尤其明显,这与暖通空调自身的运动参数有关,同时与靶场建筑结构及光学元件支撑结构有密切的关系,光学元件支撑结构的固有频率主要集中在这个频段,为降低暖通空调激励对光学元件稳定性的影响,应综合考虑暖通空调运行参数优化光学元件支撑结构的设计。3.3暖通空调对靶场基础的影响真空机组包括了多种机械设备,包括:机械泵、分子泵、罗茨泵等。为保证整个装置的恒温和洁净,暖通空调一直在不停的运转。真空机组对靶场基础影响实验测试结果包含了暖通空调对靶场基础的影响,因此对真空机组对靶场基础的影响应把暖通空调的影响考虑在内。图7是靶场基础在真空机组激励下的响应加速度功率谱。从图6和7来看,该测试结果与暖通空调作用下测点振动响应在整个频段范围内没有太大的变化,尤其是在功率谱分布上,变化的只是幅值增大。就整个频率范围内来说,真空机组对靶场基础激励影响有限。3.4激励源权重不确定在测试过程中,各个激励源并不能完全的分开,为比较不同激励源对光学元件稳定性的影响,把宽带环境激励、暖通空调激励和真空机组激励作为非相干振动进行处理,表1为不同激励下平均加速度功率谱。图8为不同激励下平均功率谱比较。从图8中可以看出,暖通空调是最大的激励源,其次为真空机组,宽带环境激励最小,与NIF激励源指标相比,原型装置受宽带激励影响要小的多,这主要得益于原型装置地基结构。由于宽带环境激励源属于不可控激励源,降低宽带环境的影响只能在作用途径上采取措施,而对于真空机组振动和暖通空调振动可以在激励源和作用途径上采取减振措施,就提高驱动器稳定性、减小激励源的影响而言对暖通空调进行振动控制无疑有最高的性价比。根据式(17),可以得出不同激励源的权重。激励源权重分析中没有考虑偶然因素的影响,而在实验中发现在驱动器进行物理实验过程中,偶然因素的影响比较大,不能忽略,在此根据实验结果的分析及国外参考资料,将偶然因素的权重定位0.1。激励源权重见图9。图9给出了考虑偶然因素情况下的激励源稳定性指标权重,根据权重在已知光学元件稳定性指标的情况下可以得到各种激励源的稳定性指标。从图9中可以看出,原型装置与NIF装置的振动激励源权重有较大差别,其主要原因是NIF装置和原型装置建设所处地质条件有较大差别,宽带环境振动与地质条件有直接关系,另外原型装置地基的建造采用了保守的技术方案,从而造成宽带环境振动在原型装置振动激励源中权重较小,真空机组振动和暖通空调振动与机械本身的设计方案、加工质量、隔振设计有关,真空机组和暖通空调旋转机械精度很高,振动激励较小,其所占的权重相应较小,这与工业发展水平有关。图中给出的是一个比较理想的结果,实际的光学元件在3个方向上的基频是不可能完全一致的,在实际的工程建设中应该根据谱激励的方向性设计光学元件支撑结构,以提高其稳定性。从激励源的控制角度看,宽带环境振动是非可控激励源,对非可控激励源采取措施成本较高,而暖通空调诱导振动和真空机组振动都是属于可控激励源,对这类激励源进行控制成本较低,并且在激励源稳定性指标权重中,暖通空调权重最大。从工程建设效费比来看,空调诱导振动是最需要研究的课题。4实施振动激励源实验研究,建立指标体系巨型ICF驱动器的建设还处于探索阶段,NIF装置和LMJ装置是目前世界上最大的ICF驱动器,它们在技术上是共享的,而国内仅能得到其有限的技术资料,对巨型ICF驱动器建设而言,国内没有现成的工程建设经验可以借鉴,对巨型ICF驱动器的建设技术指标,只有借助装置的原型开展实验研究为更大规模装置建造提供理论与技术支撑。环境振动是影响ICF驱动器光学元件稳定性的主要因素,明确各类振动激励源的影响大小对