環(huán)境振動對icf固體激光驅(qū)動器光學(xué)元件穩(wěn)定性的影響

彈性強制聚變器（icf）是開展性能約束聚變研究的實驗平臺，是大規(guī)模的精光設(shè)計。ICF驅(qū)動器對內(nèi)部光學(xué)元件的穩(wěn)定性有極高的要求,要求光學(xué)元件在環(huán)境載荷(振動、溫度等)作用下的響應(yīng)(穩(wěn)定性)小于1個微米。環(huán)境振動是影響大型ICF驅(qū)動器光學(xué)元件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素,美國NIF(NationalIgnitionFacility,國家點火裝置)裝置在建設(shè)過程中對環(huán)境振動進(jìn)行了大量的研究,并把環(huán)境振動分為寬帶環(huán)境振動、局部振動等不同類型,把光學(xué)元件的穩(wěn)定性指標(biāo)分配到不同的激勵源上,從而為光路的結(jié)構(gòu)設(shè)計、激勵源的設(shè)計提供理論依據(jù)。國內(nèi)對大型ICF驅(qū)動器光路穩(wěn)定性的研究僅根據(jù)穩(wěn)定性要求對結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行優(yōu)化,而沒有對影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的環(huán)境載荷進(jìn)行研究。神光-Ⅲ原型裝置(TIL,TechnicalIntegrateLine)是目前亞洲最大的ICF驅(qū)動器,該裝置的建成對開展ICF驅(qū)動器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究提供了支撐條件。作者將根據(jù)環(huán)境振動對光路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,實驗研究原型裝置的振動激勵源,并根據(jù)其大小確定權(quán)重,該研究可以得到影響光學(xué)元件穩(wěn)定性的主要環(huán)境振動因素,從而為環(huán)境振動控制指明方向,為現(xiàn)有裝置的能力提升及后續(xù)裝置的建造提供參考。1隨機(jī)振動激勵下的多自由度響應(yīng)隨機(jī)過程可以分為平穩(wěn)隨機(jī)過程和非平穩(wěn)隨機(jī)過程。平穩(wěn)隨機(jī)過程的統(tǒng)計特征不隨時間變化。根據(jù)嚴(yán)格平穩(wěn)隨機(jī)過程的定義,要判定一個隨機(jī)過程是否是平穩(wěn)隨機(jī)過程,需要知道它的聯(lián)合概率密度函數(shù),這通常是十分困難的,因而工程上應(yīng)用上,通常只考慮隨機(jī)過程的一、二階矩,并由此定義廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程,即滿足均值為常數(shù),相關(guān)函數(shù)只與時間間隔有關(guān)且平方均值有限的隨機(jī)過程稱為廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程;嚴(yán)格的說,實際工程中不存在平穩(wěn)的隨機(jī)振動,但從近似的角度出發(fā),為了研究方便,常常假設(shè)隨機(jī)過程是平穩(wěn)隨機(jī)過程。ICF固體激光驅(qū)動器中引起光學(xué)元件不穩(wěn)定的振動激勵源包括:寬帶環(huán)境振動、局部振動、壓力誘導(dǎo)振動等,這幾種激勵源都屬于隨機(jī)振動并且符合一定的統(tǒng)計規(guī)律,可以近似為平穩(wěn)隨機(jī)振動進(jìn)行處理。大型ICF驅(qū)動器中,光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中大口徑光學(xué)元件由鏡架進(jìn)行支撐,可以把光學(xué)元件——鏡架簡化為單自由度模型,鏡架簡化模型如圖1所示,簡化模型包含3部分內(nèi)容,質(zhì)量M,剛度K和阻尼C。其中光學(xué)元件簡化為質(zhì)量塊M,鏡架簡化為模型的剛度K,鏡架材料阻尼及連接阻尼簡化阻尼C。在圖1中X(t)為地面振動位移,光學(xué)元件的運動位移為Z(t),光學(xué)元件的振動方程可以表示為:..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????√為固有頻率,ξ=c2ωnm=c2√kmξ=c2ωnm=c2km√為阻尼比。假設(shè)鏡架在隨機(jī)振動激勵下,激勵譜為S0,根據(jù)虛擬激勵法構(gòu)造水平加速度,..?x(t)=√S0eiωt(2)x?..(t)=S0??√eiωt(2)將其帶入式(1),右端得:..?y+2ξωn˙?y+ω2n?y=-√S0eiωt(3)由于右端為簡諧載荷,易得其解為:?y=-√S0eiωtωn2-ω2+j2ξωnω(4)于是由虛擬激勵法推導(dǎo)出模型的響應(yīng)功率譜為:Sy(ω)=..?y?..?y=S0(ωn2-ω2)2+4ξωn2ω2(5)輸出均方值為:ωy2=12π∫∞-∞Sy(ω)dω=S02π∫∞-∞1(ωn2-ω2)2+4ξωn2ω2dω(6)根據(jù)特殊積分公式: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為環(huán)境振動功率譜,φy為系統(tǒng)響應(yīng),f為系統(tǒng)固有頻率。對單自由度系統(tǒng)而言,其在隨機(jī)振動作用下的響應(yīng)如式(8)所示,根據(jù)模態(tài)疊加原理,多自由度的響應(yīng)可以用下式近似表示:φ2y=n∑i=1Si4ξi(2πfi)3(9)式中,n為總的模態(tài)階數(shù),ξi為第i階模態(tài)阻尼比,fi為第i階模態(tài)頻率。對大廳內(nèi)光學(xué)元件而言,其在互不相關(guān)的3個方向隨機(jī)振動作用下響應(yīng)表示為:φ2L=Sx4ξx(2πfx)3+Sy4ξy(2πfy)3+Sz4ξz(2πfz)3(10)式中,Sx、Sy、Sz分別為X、Y、Z向加速度功率譜,ξx、ξy、ξz為3個方向模態(tài)阻尼比,fx、fy、fz為3個方向頻率。對同一結(jié)構(gòu)而言在不同的激勵下,假定不同方向上阻尼比,固有頻率都是相同的,則式(10)寫為:φ2L=S4ξx(2πf)3(11)其中,S=Sx+Sy+Sz(12)不同的激勵源對其激勵功率譜互不相關(guān),在多個激勵源共同作用下不同方向的激勵功率譜為:Sx=√S2x1+S2x2+?+S2xn(13)Sy=√S2y1+S2y2+?+S2yn(14)Sz=√S2z1+S2z2+?+S2zn(15)式(13)～(15)中,Sxn、Syn、Szn分別為不同激勵源在x、y、z向產(chǎn)生的激勵功率譜。激勵源權(quán)重可以根據(jù)激勵源的比值得到,由式(11),可得:φ2L1∶φ2L2∶?∶φ2Ln=S1/S2∶?∶Sn(16)對激勵源穩(wěn)定性權(quán)重進(jìn)行歸一化,得:[ω1ω2?ωn]=[√S1/St√S2/St?√Sn/St](17)其中,St=√S1+√S2+?√Sn,ω1、ω2、…、ωn分別為不同激勵源的權(quán)重指標(biāo)。如果已知光學(xué)元件穩(wěn)定性指標(biāo),則激勵源穩(wěn)定性指標(biāo)為:[φL1φL2?φLn]=ΔXL[ω1ω2?ωn](18)其中,ΔXL為光學(xué)元件穩(wěn)定性指標(biāo);根據(jù)式(18)就可以得到振動激勵源的穩(wěn)定性指標(biāo)。以此為基礎(chǔ)根據(jù)激勵源的特性,對激勵源特征值進(jìn)行反演,得到環(huán)境振動激勵源特征值。2環(huán)境振動實驗研究2.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成實驗儀器選用自主開發(fā)的多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。該儀器由加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集分析軟件等幾部分組成,圖2為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。該系統(tǒng)所采用的傳感器為ICP低量程地震型加速度傳感器,測試范圍為0.07～300.00Hz,分辨率為10-6g,靈敏度為10V/g。該數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號分析和處理,包括時域分析和頻域分析如:幅度譜、功率譜、互功率譜、頻率響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、相關(guān)函數(shù)等處理。2.2空調(diào)誘導(dǎo)振動系統(tǒng)仿真分析神光-Ⅲ原型裝置內(nèi)主要的振動激勵源包括:寬帶環(huán)境振動、局部的真空機(jī)組、風(fēng)機(jī)振動、暖通空調(diào)運行以及氣體壓力誘導(dǎo)振動。寬帶環(huán)境振動主要和外部環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān),屬于不可控激勵源,而真空機(jī)組、風(fēng)機(jī)振動、暖通空調(diào)誘導(dǎo)振動都屬于可控激勵源,可以根據(jù)穩(wěn)定性指標(biāo)要求進(jìn)行改進(jìn)。原型裝置由8路激光組成,可以實現(xiàn)“對打”和“并打”兩種打靶方式。這2種打靶方式要求激光從不同的角度引導(dǎo)進(jìn)入靶室,這決定了靶場中光學(xué)元件的布置方式。為了實現(xiàn)這兩種打靶方式,光學(xué)元件采用3層布置模式,圖3為靶場結(jié)構(gòu)示意圖。為了分析不同位置光學(xué)元件在隨機(jī)振動作用下的響應(yīng),對桁架層、中間層、地下層分別按安靜、暖通空調(diào)(HVAC)開和暖通空調(diào)、真空機(jī)組同時開(為保證裝置的恒溫和潔凈,暖通空調(diào)其它設(shè)備工作時一直運行)3種工況進(jìn)行測試。為避免桁架對結(jié)構(gòu)對振動的放大,影響結(jié)果的準(zhǔn)確性,選取地下層測試數(shù)據(jù)進(jìn)行振動激勵源權(quán)重分析,圖4為傳感器測點布置圖。3處理實驗結(jié)果3.1振動對光學(xué)元件穩(wěn)定性的影響如圖5所示,數(shù)據(jù)采集過程中,采樣頻率為1024Hz,每個點數(shù)據(jù)采集長度為300s,為減小數(shù)據(jù)處理計算量,數(shù)據(jù)處理長度取100s。振動對光學(xué)元件穩(wěn)定性的影響集中在低頻段,數(shù)據(jù)分析只處理1～200Hz功率譜密度分布,為便于觀察功率在整個頻域上的分布,功率譜圖縱坐標(biāo)用對數(shù)坐標(biāo)表示。從圖5中可以看出,在1～200Hz范圍內(nèi),功率譜分布比較均勻,并且在整個頻率段范圍內(nèi)3個方向的功率譜都在10-14g2/Hz附近波動。X、Y、Z這3個方向的功率譜低頻段Z向最大、Y向最小。3.2寬帶環(huán)境激勵與空調(diào)誘導(dǎo)振動共同作用寬帶環(huán)境激勵是環(huán)境激勵因素綜合作用的結(jié)果,屬于不可控激勵源,在實際的測試過程中,不可能避開寬帶環(huán)境激勵的影響,因此暖通空調(diào)(HVAC)激勵的測量結(jié)果實際上是寬帶環(huán)境激勵與空調(diào)誘導(dǎo)振動共同作用的結(jié)果,對于寬帶環(huán)境激勵的影響只有在數(shù)據(jù)分析中進(jìn)行處理。圖6給出了靶場基礎(chǔ)在暖通空調(diào)激勵下1～200Hz加速度響應(yīng)功率譜。從圖6中可以看出,測點對暖通空調(diào)激勵響應(yīng)主要集中在低頻段,在10～40Hz內(nèi)尤其明顯,這與暖通空調(diào)自身的運動參數(shù)有關(guān),同時與靶場建筑結(jié)構(gòu)及光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系,光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)的固有頻率主要集中在這個頻段,為降低暖通空調(diào)激勵對光學(xué)元件穩(wěn)定性的影響,應(yīng)綜合考慮暖通空調(diào)運行參數(shù)優(yōu)化光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。3.3暖通空調(diào)對靶場基礎(chǔ)的影響真空機(jī)組包括了多種機(jī)械設(shè)備,包括:機(jī)械泵、分子泵、羅茨泵等。為保證整個裝置的恒溫和潔凈,暖通空調(diào)一直在不停的運轉(zhuǎn)。真空機(jī)組對靶場基礎(chǔ)影響實驗測試結(jié)果包含了暖通空調(diào)對靶場基礎(chǔ)的影響,因此對真空機(jī)組對靶場基礎(chǔ)的影響應(yīng)把暖通空調(diào)的影響考慮在內(nèi)。圖7是靶場基礎(chǔ)在真空機(jī)組激勵下的響應(yīng)加速度功率譜。從圖6和7來看,該測試結(jié)果與暖通空調(diào)作用下測點振動響應(yīng)在整個頻段范圍內(nèi)沒有太大的變化,尤其是在功率譜分布上,變化的只是幅值增大。就整個頻率范圍內(nèi)來說,真空機(jī)組對靶場基礎(chǔ)激勵影響有限。3.4激勵源權(quán)重不確定在測試過程中,各個激勵源并不能完全的分開,為比較不同激勵源對光學(xué)元件穩(wěn)定性的影響,把寬帶環(huán)境激勵、暖通空調(diào)激勵和真空機(jī)組激勵作為非相干振動進(jìn)行處理,表1為不同激勵下平均加速度功率譜。圖8為不同激勵下平均功率譜比較。從圖8中可以看出,暖通空調(diào)是最大的激勵源,其次為真空機(jī)組,寬帶環(huán)境激勵最小,與NIF激勵源指標(biāo)相比,原型裝置受寬帶激勵影響要小的多,這主要得益于原型裝置地基結(jié)構(gòu)。由于寬帶環(huán)境激勵源屬于不可控激勵源,降低寬帶環(huán)境的影響只能在作用途徑上采取措施,而對于真空機(jī)組振動和暖通空調(diào)振動可以在激勵源和作用途徑上采取減振措施,就提高驅(qū)動器穩(wěn)定性、減小激勵源的影響而言對暖通空調(diào)進(jìn)行振動控制無疑有最高的性價比。根據(jù)式(17),可以得出不同激勵源的權(quán)重。激勵源權(quán)重分析中沒有考慮偶然因素的影響,而在實驗中發(fā)現(xiàn)在驅(qū)動器進(jìn)行物理實驗過程中,偶然因素的影響比較大,不能忽略,在此根據(jù)實驗結(jié)果的分析及國外參考資料,將偶然因素的權(quán)重定位0.1。激勵源權(quán)重見圖9。圖9給出了考慮偶然因素情況下的激勵源穩(wěn)定性指標(biāo)權(quán)重,根據(jù)權(quán)重在已知光學(xué)元件穩(wěn)定性指標(biāo)的情況下可以得到各種激勵源的穩(wěn)定性指標(biāo)。從圖9中可以看出,原型裝置與NIF裝置的振動激勵源權(quán)重有較大差別,其主要原因是NIF裝置和原型裝置建設(shè)所處地質(zhì)條件有較大差別,寬帶環(huán)境振動與地質(zhì)條件有直接關(guān)系,另外原型裝置地基的建造采用了保守的技術(shù)方案,從而造成寬帶環(huán)境振動在原型裝置振動激勵源中權(quán)重較小,真空機(jī)組振動和暖通空調(diào)振動與機(jī)械本身的設(shè)計方案、加工質(zhì)量、隔振設(shè)計有關(guān),真空機(jī)組和暖通空調(diào)旋轉(zhuǎn)機(jī)械精度很高,振動激勵較小,其所占的權(quán)重相應(yīng)較小,這與工業(yè)發(fā)展水平有關(guān)。圖中給出的是一個比較理想的結(jié)果,實際的光學(xué)元件在3個方向上的基頻是不可能完全一致的,在實際的工程建設(shè)中應(yīng)該根據(jù)譜激勵的方向性設(shè)計光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu),以提高其穩(wěn)定性。從激勵源的控制角度看,寬帶環(huán)境振動是非可控激勵源,對非可控激勵源采取措施成本較高,而暖通空調(diào)誘導(dǎo)振動和真空機(jī)組振動都是屬于可控激勵源,對這類激勵源進(jìn)行控制成本較低,并且在激勵源穩(wěn)定性指標(biāo)權(quán)重中,暖通空調(diào)權(quán)重最大。從工程建設(shè)效費比來看,空調(diào)誘導(dǎo)振動是最需要研究的課題。4實施振動激勵源實驗研究,建立指標(biāo)體系巨型ICF驅(qū)動器的建設(shè)還處于探索階段,NIF裝置和LMJ裝置是目前世界上最大的ICF驅(qū)動器,它們在技術(shù)上是共享的,而國內(nèi)僅能得到其有限的技術(shù)資料,對巨型ICF驅(qū)動器建設(shè)而言,國內(nèi)沒有現(xiàn)成的工程建設(shè)經(jīng)驗可以借鑒,對巨型ICF驅(qū)動器的建設(shè)技術(shù)指標(biāo),只有借助裝置的原型開展實驗研究為更大規(guī)模裝置建造提供理論與技術(shù)支撐。環(huán)境振動是影響ICF驅(qū)動器光學(xué)元件穩(wěn)定性的主要因素,明確各類振動激勵源的影響大小對