摘 要: 8通道多层镜软X光能谱仪结构采用整体式,结合中心准直机构,保证了多层镜的角度,实现系统整体瞄准,大大简化了瞄准程序。建立了谱仪的3维模型,利用ANSYS软件完成了有限元分析。静力学分析结果表明,在重力作用下准直件的变形较大,y方向上的变形量为0.016 mm,通过增加准直筒厚度可消除影响。模态分析得到了影响谱仪使用性能必须避免的噪声。分析结果为保证谱仪测量精度提供了理论依据。
在ICF实验研究中,X光能谱可以提供大量的物理信息[1-2]。软X射线能诊断通过光谱分析,还可以得到X射线总的通量、辐射温度、转换效率以及反照率。这些都是间接驱动黑腔热力学的重要参数[3-4]。多层镜软X光能谱仪(MLSXS)采用不同周期厚度的多层镜和合适的滤片材料配XRD探测器组合成高分辨的X光能谱仪[5]。多层镜软X射线能谱仪色散效率更高,在0.5~20 nm波段达10%~50%,能量分辨本领更好(约比滤波法高1个量级以上),带通区域可任意选择[3,6]。多层镜缺点是存在高级衍射问题,但多层镜的高级衍射效率相对较低(二级衍射约比一级衍射低1个量级),且可由滤片加以抑制[7-8]。因此,多层镜软X光能谱满足ICF实验要求,应用前景良好,具有较高的研发价值。
本文完成了8通道多层镜谱仪的机械设计。谱仪的结构采用整体式,集成于锥体上的8个多层镜的角度由锥面倾角确定,采用中心准直机构最终保证X光对于多层镜的入射角度,可实现系统整体瞄准,可保证测量精度且操作简单。俄罗斯的Bessarab[9]等人研制的一台0.2~1.5 keV能区的软X光能谱仪,但是每个通道独立调节,操作复杂,精度不易保证。在创建谱仪3维模型的基础上,本文利用ANSYS软件进行结构静力学分析与模态分析,检验谱仪在重力作用下的位移与变形及固有频率等性能,实现其优化设计并验证其机械性能指标,为保证谱仪测量精度提供了理论依据。
1 谱仪的结构设计
1.1 系统原理与组成
多层镜软X光能谱仪是将吸收法与多层镜分光法[10-11]结合起来,达到更好的效果。谱仪系统分为测量系统和记录系统量部分,如图1所示;测量系统包括滤片、多层镜(ML)和XRD;记录系统包括电缆和示波器。谱仪测量的对象是激光与等离子体相互作用转换得到的X光。它利用多层镜的衍射原理获得衍射谱,再通过滤片滤波,把低能的全反射光滤掉,获得单能谱响应,然后利用XRD探测器进行测量,信号采用数字示波器记录,信号波形积分获得该通道的电荷量。
1.2 系统结构设计
根据多层镜X软光能谱仪的工作原理与组成,结合工程实施情况,来进行谱仪机械结构的设计。
多层镜软X光能谱仪的总体结构为整体式,8个能道的多层镜均匀设置在一个锥体的不同面上,如图2所示,多层镜的角度由锥面的倾角确定。多层镜集中在一个部件上,可以使独立的8通道光路实现整体调节。只要将锥体中心的对光瞄准装置调节完毕,所有通道的多层镜均到位,操作简便。为保证镜面与基座安装面高精度共面,采用了“压片+托板+弹簧”的方案。通过压片保证镜面与安装的锥面高精度共面。多层镜安装基座调节机构采用波纹管配合两对可自锁的调节螺杆,可以实现±3.4°的角度调节,以及±16 mm的平移调节。
系统对准直装置要设在基座的标准锥体轴线位置上。该装置上要设置两个小孔,使小孔中心线与基座的轴心线重合。当两小孔确定的直线瞄准源点的时候,即表示多层镜安装锥体位于设定的角度上,瞄准完成。角度不确定度可以通过简单的计算给出
式中:δ为角度不确定度;θ为多层镜入射角度;R为小孔半径;L为两小孔间距离。
瞄准组件确定的两个小孔间距离为300 mm,小孔半径为0.5 mm,各个通道瞄准角度不确定度分别优于:0.5%,0.5%,0.7%,1.0%,1.0%,1.4%,1.0%,0.7%。
8个通道的XRD的安装支筒通过焊接与大筒体相连,均匀分布在四周,对应各自通道。焊接引起的变形易导致支筒体角度偏差,但多种措施可减小偏差,包括先焊接后打孔的工艺,以及增加弥补角度偏差的2维调节装置,来保证XRD的方位。对于滤片,有前置与后置两种安装方式:后置滤片可以减小XRD可能受到的杂散光影响,前置滤片具有防护多层镜的功能。谱仪保留了滤片的两种安装方式,使得操作更灵活。前置滤片安装在多层镜安装基座前面的滤片室,后置滤片安装在XRD前面的三通组件内。
根据设计结果,利用PRO/E软件建立了多层镜谱仪的3维实体模型,如图3所示。
2 谱仪的有限元分析
2.1 静力学分析
因为多层镜谱仪在工作状态下主要受到来自重力的影响,所以对结构的3维模型进行适当简化,将省略部件转化为载荷,施加重力载荷和边界条件,即可得到静力学分析所需的有限元模型(见图4)。模型将结构离散为56 301个十节点四面体实体单元solid187,共110 261个结点。为了尽量减小因为结构的挠曲和环境影响带来的误差[12],主要零件材料的选择及其参数(E为弹性模量,μ为湐松系数,ρ为材料密度)如表1所示。
经过计算得到谱仪受重力影响的变形情况,如图5所示。可看出x方向最大变形量为0.007 2 mm,出现在小角度长支筒上;y方向最大变形量为0.016 mm,出现在小角度长支筒以及准直件末端;z方向最大变形量为0.001 7 mm,出现在支筒上。因为x与z方向变形量很小,所以可以忽略。y方向变形量虽然较大,但支筒的变形可以通过调整件弥补。对于准直件的变形我们需要重视,因为它会对谱仪的瞄准产生影响。改进措施为增加其材料厚度,保证强度,减小变形。
2.2 模态分析
计算多层镜谱仪的模态时,采用均匀的网格密度,利用自由网格划分功能对机体进行一次性网格自动划分,无人工干预,使网格划分更加合理。多层镜谱仪模型仍采用十节点四面体实体单元solid187,共划分为111 664个单元和210 969个结点。
计算频段的选择应考虑到谱仪在实际工作条件下可能的激振频率范围,计算频带应略高于激励力的频带[13-14]。此外,如果谱仪的计算结果还将用来与其它多个部件进行综合分析以求整体实验结构的模态时,为了使整体模态具有更高的精确度,谱仪模态计算的频段也应适当放宽,以求得稍多的模态。考虑到多层镜谱仪的结构复杂以及严格要求的工作条件,提取它的前10阶模态。
利用Block Lanczos方法[15]计算得到的谱仪前10阶固有频率(见表2)和典型振型情况(见图6)。图6给出了模态分析的典型结果:第1阶,第5阶与第7阶振型图。第1阶振型(f=224.7 Hz)表现为谱仪整体在y偏z方向上的一阶弯曲振动即摆动,最大相对位移发生在准直件末端。第5阶振型(f=377.1 Hz)表现为筒体在y偏z方向及其垂直方向上的一阶径向振动,最大相对位移发生-y与-z方向间45°位置上的支筒末端。第7阶振型(f=525.4 Hz)表现为谱仪整体绕x轴的一阶扭转振动,最大相对位移发生在支筒末端。
因为谱仪准直件和安装XRD的支筒的形变是影响测量精度的主要因素,所以要保证系统具有良好的性能,就要尽量避免谱仪准直件部分在外部激励下产生的扰动,也就是避免共振现象的产生。由分析结果知道:第1阶(f=224.7 Hz)、第2阶(f=225.9 Hz)、第3阶(f=293.8 Hz)、第6阶(f=402.2 Hz)、第10阶(f=708.5 Hz)5个频率附近准直件部分的扰动很大,必须避免这几个频率附近噪声的影响,尽量远离或清除噪声源。而第4阶(f=366.5 Hz)、第5阶(f=377.1 Hz)、第7阶(f=525.4 Hz)、第8阶(f=595.9 Hz)和第9阶(f=604.7 Hz)附近的噪声主要影响的是XRD安装支筒。如果支筒发生共振将严重影响XRD对X光信号的测量,因此也要避免这几个频率附近噪声。若引起共振的噪声源无法清除,可以通过改变材料改善谱仪的动态特性。
3 结 论
在完成多层镜软X光能谱仪方案结构设计的基础上,创建了谱仪的3D模型,并进行了静力学与模态的有限元分析。静力学分析结果表明在重力作用下准直件的变形较大,y方向上的变形量为0.016 mm。通过增加准直筒厚度可减小影响,保证瞄准不确定度满足要求。通过固有特性分析,得到了影响谱仪使用性能必须避免的噪声频率。分析结果验证了多层镜软X光能谱仪结构设计的合理性,也为保证谱仪测量精度提供了理论依据,同时为进行瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析打下了基础。
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本文作者：侯立飞, 易荣清, 杜华冰, 刘慎业
