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五通道柱面晶体谱仪关键技术研究

作　者: 梁冰
导　师: 谢志江
学　校: 重庆大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 激光等离子体 X射线谱等离子体诊断晶体谱仪
分类号: TH842
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

受控核聚变是当代世界科学技术重大课题,激光惯性约束核聚变是当前核聚变研究的主要方向之一。惯性约束核聚变(Inertial Confined Fusion ICF)的基本原理是:使用强大的脉冲激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上,在瞬间产生极高的高温和极大的压力,被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前,向外喷射而产生向内聚心的反冲力,将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温,并维持一定的约束时间,完成全部核聚变反应,释放出大量的聚变能。在惯性约束核聚变实验研究中,激光打靶会产生高温等离子体。这些高温等离子体所发射的X射线谱中包含了丰富的信息,如电子的温度、密度和离化度等信息。要研究高温等离子体的内部状态及变化过程,就必须通过一定的实验手段对离子体中电子温度、密度、电离分布等状态参数进行实验测量研究。而为了精确地诊断高温高密度等离子体的物理状态,时间分辨的等离子体X射线谱学是研究热稠密等离子体的一种强有力的技术。本文阐述了利用X射线谱进行激光等离子体诊断的五通道柱面晶体谱仪的重大意义。主要利用X射线受晶体衍射的基本理论,对整个五通道柱面晶体谱仪的结构设计进行研究。本次设计研制的五通道柱面晶体谱仪是一个广(宽)谱、常规的X光能谱诊断设备,该型谱仪在辐射驱动内爆、辐射不透明度、X光能源、黑腔物理和辐射输运实验中具有广泛的用途,可用于诊断如Al、Mg、S、Cl、Ar、K、Ti、Cr、Fe、Mo、Ag和An等元素的各种离化态离子发射的时间积分的X光线谱,这些线谱可为激光聚变等离子体的研究提供重要的信息。谱仪经过标定后,可测量能谱分辨的X射线辐射流,对测量获得的光谱进行分析可获得等离子体状态方面的数据,如离化度、密度和离子各类等。在本论文中我们首先对用于在激光聚变实验室等离子体诊断的凸形柱面弯曲晶体谱仪做了功能结构分析,并介绍了五通道柱面晶体谱仪的光学系统的基本组成和特性参数。接下来,本文根据经典光仪器的基本理论,进行了光学主要设计参数的来源计算。并利用经典机器人运动理论学,对谱仪的送靶机构和调节机构两大重要机械功能组成部分进行了运动学分析。同时,对于需要保证送靶精度的送靶机构,送靶机构的运动控制也是极为重要的一环,文中对于送靶机构的控制部分也做了重点介绍。最后,对于谱仪设计的各个机械功能部分,都做了介绍。并对于某些重要的,其精度会影响到谱仪整体设计精度的零件,进行了有限元分析。以使这些关键零件,在设计时达到最优化设计。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 引言  9-10
  1.2 受控核聚变研究的基本理论  10
  1.3 等离子体X 射线谱仪研究现状  10-12
  1.4 课题的来源及意义  12
  1.5 论文的总体规划  12-13
  1.6 本章小结  13-14
2 晶体谱仪光学系统  14-25
  2.1 谱仪总体功能组成介绍  14-15
  2.2 晶体对X 射线的衍射原理  15-18
    2.2.1 光波干涉的基本理论  15-16
    2.2.2 基于晶体分光的X 射线衍射  16-18
  2.3 谱仪光路分析  18-19
  2.4 反射式弯晶分析  19-21
    2.4.1 反射式弯晶结构  19-20
    2.4.2 反射式弯晶光学参数计算  20-21
  2.5 透射式弯晶分析  21-23
  2.6 CMOS 探测器  23-24
  2.7 本章小结  24-25
3 晶体谱仪送靶机构结构设计研究  25-37
  3.1 送靶机构使用背景简介  25
  3.2 送靶机构结构设计研究  25-27
    3.2.1 结构运动要求  25
    3.2.2 结构设计分析  25-27
  3.3 机构零位标定  27-28
  3.4 控制部分介绍  28-31
  3.5 送靶机构重复定位精度研究  31-35
    3.5.1 重复定位误差的消除  31-33
    3.5.2 重复定位精度的检验  33-35
  3.6 本章小结  35-37
4 晶体谱仪调节机构结构设计研究  37-44
  4.1 调节机构使用背景简介  37
  4.2 调节机构结构设计研究  37-39
  4.3 调节精度设计研究  39-40
  4.4 调节机构运动分析  40-41
  4.5 调节实例分析  41-42
  4.6 本章小结  42-44
5 关键件有限元分析  44-58
  5.1 有限元分析的基本理论  44-45
  5.2 结构静力分析  45-52
    5.2.1 结构静力分析理论  45-47
    5.2.2 结构静力分析的一般步骤  47
    5.2.3 有限元模型的建立  47-51
    5.2.4 计算结果与分析  51-52
  5.3 结构模态分析  52-57
    5.3.1 结构模态分析的基本方法  53-54
    5.3.2 光源支撑架边界条件建立和网格划分  54
    5.3.3 计算结果与分析  54-57
  5.4 本章小结  57-58
6 总结及展望  58-59
致谢  59-61
参考文献  61-63
附录  63

五通道柱面晶体谱仪关键技术研究

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