（机械电子工程专业论文）icf诊断设备的离线真空检漏系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 i c f 核聚变反应过程腰求在真空条件下完成，必须保证主机靶室的真空度， 故真空检漏是i c f 实验前的重要内容。由于主机靶室的结构特殊性，要求检测诊 断设备在安装后不影响主机靶室的真空度。本文中设计的离线真空检漏系统用于 主机诊断设备的离线真空检漏，以检测和确保诊断设备在安装后不影响主机靶室 整体真空度。本文重点是设计离线真空检漏装置来对主机的诊断设备进行检漏。 本文的主要研究内容及创新性如下： 在研究了i c f 实验 对真空环境的要求特点及具体实验要求的基础之上，结 合各种常用真空检漏方法和当前检漏系统方面的工程实践，提出了离线真空检漏 系统的总体设计方案。 根据实验工程用途刀t 功能要求，结合结构最简单、变形最小、重量最轻、 传动机构运动链最短和整体优化设计等设计原则，运用三维设计软件i n v e n t o r 完成 了离线真空检漏系统的关键组件建模设计，以及系统整体建模设计。 运用有限元分析软件a n s y s 对关键部分的结构进行了相关的静力学与动 力学分析，得到了主体机初i 结构在重力及力矩作用下的静力变形结果及前八阶固 有振动频率结果，优化了塑体结构设计方案。利用a d a m s 对模拟靶三维支撑调 节组件进行运动仿真，验证了模型的准确性和可靠性。 完成离线真空检漏系统的控制系统设计。利用p l c 控制系统来实现了对模 拟靶三维支撑调节组件的翅：动控制。为了实现关键部件的精确调节与定位，通过 对四个电机的控制，实现靶丸及靶杆沿着x 、y 、z 三个方向移动，以及绕z 轴的水 平转动。 本论文研究的离线真空检漏系统基本达到了设计要求，下一步将通过对诊断设 备的真空密封性进行检测，以确定其能否达到在主机靶室上的使用要求，为进一 步的工程应用研究提供了有价值的参考。 关键词：真空检漏，模拟靶支撑调节，有限元分析，p l c 控制 重庆大学硕士学位论文 。 英文摘要 a b s t r a c t i c fn u c l e a rf u s i o nr e a t i o np r o c e s si nv a c u u mc o n d i t i o n i tm u s te n s u r et h a tt h e h o s t t a r g e tc h a m b e ri nv a c m t m ，s ot h ev a c u u ml e a kd e t e c t i o ni st h ei m p o r t a n tc o m e m o f t h ei c fb e f o r et h ee x p e r i m e n t d u et ot h ep a r t i c u l a r i t ys t r u c t u r eo ft h eh o s tt a r g e t c h a m b e r , i tr e q u i r e st h e r ei sn oa f f e c tt ot h eh o s tt a r g e tc h a m b e ra f t e rt h ei n s t a l l a t i o no f t h ed e t e c t i o na n dd i a g n o s i se q u i p m e n t t h ed e s i g no fo f f - l i n ev a c u u ml e a kd e t e c t i o n s y s t e mi nt h i sa r t i c l ei sf o rt h eh o s td i a g n o s t i ce q m p m e n to f f - l i n ev a c u u m l e a kd e t e c t i o n ， i no r d e rt od e t e c ta n de n s t l _ r et h e r ei sn oa f f e c tt ot h eh o s tt a r g e tc h a m b e ra f t e rt h e i n s t a l l a t i o no ft h ed e t e c t i o na n dd i a g n o s i se q m p m e n t t h ef o c u so ft h i sa r t i c l ei st o d e s i g nt h eo f f i i n ev a c u u ml e a kd e t e c t i o nd e v i c e st ol e a k - c h e c kt h ed i a g n o s i se q u i p m e n t o fh o s t t h em a i nr e s e a r c hc c m e ma n di n n o v a t i o na r ea sf o l l o w s ： q a b o v et h es t u d yo fu 屺i c fe x p e r i m e n to nv a c u u me n v i r o n m e n tr e q u i r e m e n t s a n dt h es p e c i f i ce x p e r i m e n t a lr e q m r e m e n t s ，i nc o m b i n a t i o nw i t hav a r i e t yo fc o m m o n l y u s e dv a c u u ml e a kd e t e c t i o nm e t h o d sa n de n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nt h el e a kd e t e c t i o n s y s t e mi nc u r r e n t ，p r o p o s e dt i l eo f f - l i n ev a c u u ml e a kd e t e c t i o no v e r a l ls y s t e mp l a n ( 窑) a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n d f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，c o m b i n e d 、舫t l lt h em o s ts i m p l es t r u c t u r e ，t h em o s tm i n i m a ld e f o r m a t i o n ，t h el i g h t e s tw e i g h t ， t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mk i n e m a t i cc h a i ni st h es h o r t e s ta n do v e r a l lo p t i m i z a t i o nd e s i g n p r i n c i p l e ，h a v ec o m p l e t e do f f - l i n ev a c u u ml e a kd e t e c t i o ns y s t e mo fk e yc o m p o n e n t s m o d e l i n gd e s i g nb ym a k eu s eo ft h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r ei n v e n t o r ，a n dt h e o v e r a l ls y s t e mm o d e l i n gd e s i g n ( 亘) a n a l y s e dt h e s t a t i c sa n dd y n a m i c so ft h es t r u c t u r eb yu s i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，g ：tt h em a i ns t r u c t u r eo ft h eg r a v i t ya n dt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r eu n d e rt h ea c t i o no fe x t e r n a lf o r c eo ns t a t i cd e f o r m a t i o nr e s u l t sa n dt h ef i r s t e i g h to r d e rn a t u r a lf r e q u e n c ycfv i b r a t i o no ft h er e s u l t s ，o p t i m i z e dt h ed e s i g no fo v e r a l l s t r u c t u r e t ov e r i f yt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em o d e l ，u s ea d a m st os i m u l a t e t h e3 ds i m u l a t i o nt a r g e ts u p p o l ta d j u s t m e n ta s s e m b l y c o m p l e t e dt h eo f f - l i n ec o n t r o ls y s t e md e s i g no fv a c u u ml e a kd e t e c t i o ns y s t e m b yu s i n go fp l c c o n t r o ls y s t e mt or e a l i z et h e3 ds i m u l a t i o nt a r g e ts u p p o r ta d j u s t m e n t a s s e m b l ym o t i o nc o n t r o l ，a c c o r d i n gt oc o n t r o lf o u rm o t o r ，r e a l i z e dt h et a r g e tt h a tt h e t a r g e tb a rm o v i n ga l o n gt h ex ，弘zm o v a b l ei na t h r e ed i r e c t i o n ，a n dr o t a t i n ga r o u n dt h e za x i sh o r i z o n t a l l y , i no r d e rt oa c h i e v et h ep r e c i s er e g u l a t i o na n dl o c a l i z a t i o no ft h ek e y i i 重庆大学硕士学位论文 c o m p o n e n t s t h eo f f - l i n ev a c u u ml a 出d e t e c t i o ns y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t si n t h i st h e s i s ，t h en e x ts t e pw i i1b eb a s e do nt h e d i a g n o s t i ce q u i p m e n to fv a c u u mt i g h m e s s t e s t ，t om a k es u r ew h e t h e ri tc o u l dr e a c ht h eh o s tr e q u e s to nt h et a r g e t c h a m b e r t o p r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c ef 1 ) rf u r t h e re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nr e s e a r c h k e y w o r d s ：v a c u u ml e a kd e t e c t i o n ，s i m u l a t i o n t a r g e ts u p p o r ta 由u s t m e n t ，f i i l i t e e l e m e n ta n a l y s l i s ，p l cc o n t r o l i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪 论 1 绪论 1 1 课题研究背景 自人类进入工业化以来，世界能源消耗迅速增长。有数据显示，自1 9 7 3 年以 来，人类已经开采了5 5 0 0 亿桶石油( 约合8 0 0 亿吨) ，按照现在的开采速度，地 球上已探明的1 7 7 0 亿吨石油储量仅够开采5 0 年，已探明的1 7 3 万亿立方米天然 气仅够开采6 3 年；已探明的9 8 2 7 亿吨煤炭还可以用3 0 0 年到4 0 0 年。核电站发 电需要浓缩铀，世界上已探明的铀储量约4 9 0 万吨，钍储量约2 7 5 万吨，全球4 4 1 座核电站目每年需要消耗6 万多吨浓缩铀，地球上的铀储量仅够使用1 0 0 年左右。 世界各国水能开发也已近饱和，而风能、太阳能尚无法满足人类庞大的需求。 随着石油价格上涨，能源危机再次被提起，各国也加快了新能源研发，核聚 变能就是重点之一。核聚变所用的重要核燃料是氘，核聚变发电相对传统的裂变 式核电发电具有显著的优势。传统核电站运转一天至少需要1 0 0 千克铀，火力发 电站至少需要1 万吨煤，而核聚变在理论上只需1 千克氘和lo 千克锂( 通过锂可得 到氘) 就可以保证一座百万千瓦聚变核电站运转一天。制取1 千克浓缩铀的费用是 1 2 万美元，而制取同等重量氘的费用仅为3 0 0 美元。一座百万千瓦裂变式核电站 需要3 0 一4 0 吨核燃料。而同样发电量的核聚变电站，每年只需消耗氘量3 0 4 千克。 氘是海水中大量存在的元素，其发热量相当于相当量煤的2 0 0 0 万倍。据估计 测算，海水中每6 0 0 个氢原子中就有一个氘原子，每1 公升海水中含有0 0 3 克的 氘。通过核聚变反应产生的能量，相当于燃烧3 0 0 升的汽油，换句好说，“1 升海 水等于3 0 0 升汽油”。地球上的海水总量约为1 3 8 6 0 0 0 万亿立方米，其中氘的储量 约4 0 万亿吨，足够人类使用百亿年。在核聚变反应中锂是实现纯氘反应的过渡性 辅助“燃料”，地球上的锂储量也是相当巨大，有2 0 0 0 多亿吨，海水中的氘再加上 锂至少够我们用上千亿年。氚虽然在自然界比氘少得多，但可从核反应中制取， 也可用于热核反应。科研人员正在以海水中的氘为主要原料进行核聚变反应试验， 以期建立可以投入商业运营的热核聚变反应堆，彻底解决人类未来的能源问题。 更为重要的是的是核聚变反应产生清洁能源，反应几乎不存在放射性污染。 核裂变的原料本身带有放射性，而核聚变反应过程中，在任何时刻都只有极少的 氘在聚变，无需担忧失控的危险，而且也不会产生放射性物质。即使像切尔诺贝 利核电站那样发生损坏，核聚变反应堆也会自动立即中止反应，因此受控核聚变 产生的能量是一种无限、清洁、成本低廉和安全可靠的新能源。在上述动力推动 下，核聚变的研究已经持续了半个多世纪。 如果能掌握受控核聚变，那就能够拥有取之不尽用之不竭的清洁能源。为此， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 科学家们不断探索实现可控核聚变的途径。实现受控聚变的途径目前有两个：一 是磁约束，另一个是惯性约束。而自然界中的聚变通常发生在恒星内部，是引力 约束。 惯性约束聚变( i n e r t i a lc o n f m e m e n tf u s i o n ，i c f ) 1 】是实现可控热核聚变能源的 主要途径之一，同时又可作国防、基础科学研究等重要应用。1 9 6 4 年，王淦昌先 生在国际上独立提出激光驱动聚变的建议，由此开始了我国i c f 研究的历史【2 j 。在 直接驱动中，使用多路强大的脉冲激光同时均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球 状靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体，并维持一定约束时间，利用反冲压力， 使靶的外壳极快地向心运动，压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高 密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点火条件，实现聚变反应【3 4 1 。 在实验中，i c f 核聚变反应过程要求在真空条件下完成，所以在这实验前，必 须保证主机靶室的真空度，所以需要检测主机靶室的真空度，同时要求检测设备 在安装后不影响主机靶室的真空度。由于主机靶室体积大，制造成本成本高，以 及检测设备重量大等原因，需要进行主机诊断设备的离线真空检漏，确保诊断设 备在安装后不影响主机靶室整体真空度。正是基于主机设备离线真空检漏在i c f 实验中的重要作用，论文开展了对离线真空检漏系统的相关研究。 1 2 论文相关领域发展与研究现状 1 2 1 国内外i c f 研究 在1 9 6 0 年，美国科学家梅曼( t h m a i m a n ) 研究成功了世界上第一台激光器 以后，科学家们就设想用它来实现热核聚变，并正在逐步具体实施。1 9 6 3 年以b a s o v 为首的前苏联科学家首先提出利用高功率激光辐照聚变燃料产生高温高密度等离 子体，从而达到点燃热核聚变反应的条件【5 】。这一思想迅速受到了全世界的普遍关 注。1 9 7 2 年美国l i v e m o r e 实验室的n u c k o l l s 在n a t u r e 杂志上发表文章 6 】，公开了 球形聚爆的理论：利用多路激光直接均匀辐照靶丸( 直接驱动) 产生球形聚爆，进一 步引爆了研究i c f 的热潮。美国、俄罗斯、法国和日本等国家对激光聚变的研究 都极为重视，其实验室已经在大型高功率激光驱动器、理论模拟、实验诊断和制 靶技术等与i c f 研究相关的方面作了大量的基础研究工作【7 - 1 2 1 。上述国家已经着手 建造更大规模的巨型激光器来实现激光热核“点火”，通过几十年的深入研究，取得 了令人瞩目的成就【l3 1 。 1 9 7 5 年美国l i v e m o r e 实验室又进一步提出间接驱动的概念【1 4 】，并在n o v a 激 光器上获得了实质性的进展，使氘氚燃料的密度达到了1 0 0 倍液氘密度。b a s o v 和 m t a b a k 在1 9 9 2 年和1 9 9 4 年提出“快点火”概念，认为激光聚变点火的门槛可进一 步降低。近几年来，世界各国的激光装置又进入发展高潮期，美国率先建造了巨 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 型的激光点火装置n i f ，法国随后也建造同样规模的l m j 装置。从某种意义上来 说，i c f 固体激光驱动器的研制规模成为了各国综合科技实力的重要标示之一。下 面是国际上目前正在使用和正在建造的i c f 固体激光装置。 g 。”。5 y 5 。叠，毋 b e a mt r a n s 【) o nl 。 t a r g e tc h a m b er 函1 1 美国n i k 崮体激光装鲎 f i g 1 1s o l i dl a s e rf a c i l i t yo fn i f 表1 1 用于i c f 研究的固体激光装置1 1 5 】 t a b l e1 1s o l i dl a s e rf a c i l i t i e sf o ri c fr e s e a r c h 国家 实验室 装置 能量( k j )束数 l l n lb e a m l e t6 4l 美国激光能学实验室 o m e g a 4 06 0 l l 】n ln o v a4 51 0 法国利梅伊瓦伦顿中心p h e b u s8 2 英国r a l场l a n28 俄罗斯 列别捷夫所 d e l f i n1 01 0 8 日本激光工程所g e k k ov i i1 51 2 表1 2 在建i c f 固体激光装置 t a b l e1 2n e wi c fs o l i dl a s e rf a c i l i t yi nb u i l d i n g 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2c a d 、c a e 技术【1 6 _ 7 j 2 0 世纪5 0 年代，第一台计算机绘图系统在美国诞生，开始出现具有简单绘图 输出功能的被动式的计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术。6 0 年代 初期出现了c a d 的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。7 0 年代，形 成了完整的c a d 系统，后期发展了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手 动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了c a d 技术的飞速发展。 8 0 年代，由于强大的超大规模集成电路制成的存储器件和微处理器的出现，c a d 技术在中小型企业逐步普及。从8 0 年代中期以来，c a d 技术向标准化、智能化、 集成化方向发展。很多标准的图形接口软件和图形功能相继推出，很好的促进了 c a d 的技术推广、软件移植和数据共享；系统构造也由过去的单一功能变成综合 功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的先进的计算机集成制造系统； 网络技术、固化技术、多处理机和并行处理技术在c a d 中的广泛应用，极大地提 高了c a d 系统的性能；人工智能和专家系统技术引入c a d ，出现了智能c a d 技 术，使c a d 系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。 目前，c a d 技术已经在各个领域得到广泛应用，例如电子、电气、工厂自动 化、科学研究、机械设计制造、计算机艺术、机器人工业、服装业、出版业、土 木工程、地质勘察和软件开发等。应用比较广泛的有p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、 a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 和i n v e n t o r 、u g 公司的u gn x 等。 a u t o d e s ki n v e n t o r 是美国a u t o d e s k 公司于19 9 9 年底推出的中端三维参数实体 模拟软件，自发布第一版以来，已成为世界领先的三维设计软件之一。他提供了 从创建三维建模、渲染、动画、模型分析、应力分析、运动仿真，到数据转换、 产生二维工程图、支持二次开发的全面功能。在本次研制中设计的三维模型主要 由i n v e n t o r 创建。 有限元应力分析和运动仿真属于c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) ，即计算 机辅助工程范畴，将它们用在设计的过程中，只对模型进行分析，不对模型进行 修改。真正的c a e 软件出现于7 0 年代，到8 0 年代逐步形成了商品化的能用。目 前常用的c a e 软件有a n s y s 、m s c - n a s t r a n d y t r a n m a r e c a d a m s 、a b a q u s 、 a l g o r 和a d i n a 等。通常设计人员用三维c a d 软件产生模型，然后输入到c a e 软件进行有限元分析和、运动仿真、流体分析、振动模态、电磁场等，基于分析 和仿真的结果，评估过度设计或不足设计等不合理或可进一步优化的地方。然后， 模型又在c a d 软件中加以修改，修改后再回到c a e 软件中进行再次分析。如果 分析结果显示还需要进一步修改，模型又回到c a d 软件中进行修改，如此多次迭 代，以最终实现设计的最优化。而今在系统的概念设计、初步设计到工程设计、 制造中，每时每刻都要应用c a d c a e 技术。在本论文中，离线真空检漏系统的研 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 制多次采用i n v e n t o r 和a n s y s 相结合进行三维建模设计、静力学分析和动力学分 析【1 7 】。 1 2 3 精密机械技术【1 8 。2 1 】 机械技术是机电一体化的基础。机电一体化产品中的主功能和构造功能，往往 是以机械技术为主实现的。在机械与电子相互结合的实践中，不断对机械技术提 出更高的要求，使现代机械技术相对于传统机械技术而产生了很大变化。新材料、 新工艺、新原理、新机构等的不断出现， 机电一体化产品对减轻重量、缩小体积、 要求。 现代设计方法不断发展和完善。以满足 提高精度和刚度、改善性能等多方面的 精度是影响产品质量的重要因数，尤其对机电一体化产品，其技术性能、工艺 水平和功能比传统普通的机械产品都有较大的改善，因此机电一体化机械系统的 首要要求是高精度。如果机械系统的精度不能满足设计要求，那么无论其产品其 它系统工作怎样精确，也无法完成机电一体化产品预定的机械操作。 近年来世界各国都大力发展精密机械研究，日本提出“精密工程”的概念，德国 提出“精密技术”的概念等，这些发展动态表明，为了适应现代科技的迅猛发展，在 精密机械仪器设计领域，要将电子技术、 计出符合现代高精度、性能优异的产品， 纳米技术等先进技术结合起来，才能设 才能推动现代科研的不断提高与进步。 随着光电技术、微电子技术、传感技术、计算机应用技术和通信技术的发展， 加快了精密机械技术的发展，而且也通过和这些技术的融合，加速了诸多技术的 相互交叉发展，并形成了一些新的研究领域和技术，如微光电系统、微机械系统。 与此同时产生了诸如光机电液一体化的产品，这类产品集合了精密机械、电子技 术、光学、自动控制和计算机技术等，被越来越广泛地应用在工业、农业、国防 和科学技术现代化建设的各个领域中。 我国的精密机械技术发展起步晚，与国际先进水平相比，还是有一定的差距。 存在制造产品质量和水平不高，技术开发能力不强，基础元器件和基础工艺不过 关，生产率低下，科技投入严重不足。随着今年来国家的大力支持，也得到了飞 速发展。精密机械与精密零部件是精密机械设计技术的基础，零部件的水平决定 整机的精度水平，零部件的质量决定着整机的质量。 离线真空检漏系统是一个非常典型的光机电结合应用的精密测量系统，在整个 设计过程中提出了对减轻重量、缩小体积、提高精度和刚度、改善性能等多方面 的要求。依照“精密机械技术”的相关理论和设计原理去选择材料，设计和优化 调节结构、提高精度和强度，减轻重量等等。通过不断的优化设计最后得出离线 真空检漏系统的最优设计方案【1 8 - 2 l 】。 重庆大学硕士学位论文1 绪 。论 1 3 论文研究的目的及意义 激光惯性约束聚变( i c f ) 等离子体点火物理研究中，激光能量是十分重要的 一个参数。其中一个重要的能量损失机制是靶物质电离而产生的等离子体中激光 的散射。在间接驱动点火尺度靶物理研究中，激光束在到达靶固体表面转化为x 射线前要穿过一个充气区域。大尺度( 2 m m ) 低密度( 0 1 n e ) 等离子体在这个区 域形成并通过s b s ( 受激布里渊散射) 和s r s ( 受激拉曼散射) 机制散射激光能量。 研究表明：在惯性约束聚变( i c f ) 研究中，高强度的激光脉冲通常需要在空气 中传输较长的距离才能到达聚变靶丸。在此过程中，强紫外激光与空气中氮分子 相互作用将产生受激拉曼旋转散射效应( s r r s ) 。s r r s 效应不但会引起泵浦光能 量的损失，而且还将使激光束的光束质量明显变差，而影响s r r s 效应的主要因 素包括泵浦光参数、非线性介质( 空气) 密度以及传输距离等。真空度对强紫外激光 束在空气长程传输过程中产生的s r r s 效应的阈值条件、转换效率以及光束质量 的影响和转换效率的影响较大，随着空气真空度的提高，激光传输距离将增加。 因此，在实际工作中真空度的保持对激光光束质量非常重要，可以采用真空度较 高的激光传输大气环境来减少该效应的产生，以减小光能量的衰减并提高光束质 量【2 2 】。 在实验中，i c f 核聚变反应过程要求在真空条件下完成，必须保证主机靶室的 真空度，所以真空检漏是i c f 实验前的重要内容。同时要求检测设备在安装后不 影响主机靶室的真空度。由于主机靶室体积大，制造成本成本高，以及检测设备 重量大等原因。针对这些问题，需要对主机的诊断设备进行离线真空检漏，确保 诊断设备在安装后不影响主机靶室整体真空度。正是基于主机设备离线真空检漏 在i c f 实验中的重要作用，论文开展了对离线真空检漏系统的相关研究。本文重 点是设计离线真空检漏系统来对主机的诊断设备进行检漏。 1 4 本论文的主要任务 在神光i i i i c f 实验中，主机靶室上需要安装大量的诊断设备。如果诊断设备与 主机靶室安装有偏差( 存在漏孔) ，将会影响主机靶室的整体真空度，从而导致实 验失败，所以必须保证诊断设备安装后对主机靶室的真空度没有影响。由于主机 靶室体积大，制造成本高，不利于在线对诊断设备进行真空检漏实验。正是基于 这些原因，本文重点是设计离线真空检漏系统来对主机的诊断设备进行离线检漏， 通过该系统上的法兰接口连接诊断设备，然后检测其是否存在漏气和满足真空度 要求。如果同时满足漏率和真空度要求，则表明诊断设备真空密封性能达到在主 机靶室上的使用要求。本文通过对离线真空检漏系统的研究，完成系统的机械结 构设计、模拟靶三维支撑调节机构设计以及控制系统设计，并对主要机械部件进 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 行了相关的静力学分析、动力学分析和运动仿真。具体任务如下： 分析离线真空检漏系统的设计要求和在检漏实验中的空间安装位置，确定 离线真空检漏系统需要解决的关键问题，提出总体设计方案。 完成离线真空检漏系统的工程设计。根据系统在实验中的工作原理和物理 要求，完成测量系统的机械结构设计，重点是对模拟靶三维支撑调节机构进行设 计。通过i n v e n t o r 建立三维模型，并结合有限元分析软件a n s y s 对系统的关键部 分进行静力学和动力学分析。静力学主要分析测量系统关键部分的变形与应力分 布情况，动力学分析则计算关键部分的固有频率和相应振型，从而检验结构设计 的合理性，并根据分析结果进行系统优化，保证检漏系统在实验中正常稳定的工 作。利用a d a m s 对重要组件进行运动仿真，来验证模型运动的准确性和可靠性。 从控制的可靠性、稳定性、易扩展性和易升级维护性的角度，根据模拟靶 的精密定位和调节要求，以及控制精度、稳定性等要求，选择最佳的控制系统方 案。 7 重庆大学硕士学位论文2 真空检漏诊断系统技术方法 2 真空检漏诊断技术方法 2 1 真空系统漏气的判定【2 2 以】 一个理想的真空系统或真空容器，应当是不存在任何漏孔，不产生任何漏气现 象。但是，就任何真空系统或真空容器来说，绝对不漏的现象是不可能的。特别 是在压力极低的情况下，随着漏气现象的影响不断加剧，真空度达不到预定的工 艺要求，是一个相当普遍的问题。为此，检测真空系统或真空容器存在的漏气部 位、确定漏孔的大小、堵塞漏孔从而消除漏气现象，就成为研究真空技术的一项 重要工作。 真空系统漏气是绝对的，不漏气是相对的在真空检漏技术中所指的“漏”是和 最大容许漏率的概念联系在一起的。对于动态真空系统，只要其平衡压力能够达 到所要求的真空度，这时即使存在着漏孔，也可以认为该系统的漏率是容许的，该 情况下系统的漏率称为最大容许漏率。表2 1 列出了各种真空设备的最大容许总漏 率。 表2 1 各种真空设备的最大容许总漏率 t a b l e2 1t h eb i g g e s ta l l o wt o t a ll e a kr a t eo fa l lk i n d so fv a c u u me q u i p m e n t 。- _ - _ 一- - - - |a _ l - _ _ - - l _ _ _ l _ _ - - _ _ _ 一 重庆大学硕士学位论文2 真空检漏诊断系统技术方法 如何判断真空系统是否存在漏气，通常采用静态升压法，即把容器抽到一定 压强后，关闭阀门，将被抽容器与泵隔开，若容器漏气或材料放气，容器中的压 强将随时间而上升。用真空计每隔一定时间计量一次容器中的压强，可得出压强 时间曲线。由于容器的漏气与出气情况不同，其曲线也不同。先将真空系统抽空， 到达一定真空状态后，将阀门关闭，让系统与泵隔断，此时真空系统处于静止状 态，然后测量压强变化，系统的压强将出现4 种变化，如图2 1 所示： p 泵关闭静态升压t 图2 1 压强随时间变化图 f i g 2 1t h em a po fp r e s s u r ev a r i a t i o no v e rt i m e 虚线a ，压强不随时间变化，说明系统即不漏气，也不放气。但其压力的恒 定值p o 高于要求的极限压力，真空度上不去的原因是由于真空泵选配不当或工作性 能不良所造成的。 曲线b ，压强开始时曲线上升很快，而后上升速度渐渐减缓并逐渐趋于水平 恒定状态，这说明容器没有漏气。真空度上不去的原因主要是放气的影响。因为 不论是蒸汽源的放气或材料的放气，在达到一定的压力和时间后，放气速度慢慢 降低，故上升速度会呈现出饱和状态。 直线c ，压力是直线上升状态，这是漏气；其漏气率正比于内外的压力差。 是一斜率为半的直线。这说明只有漏气而没有放气。 f 曲线d ，开始压强上升较快，而后逐渐变得缓慢，最后变成斜率为竺的直 9 重庆大学硕士学位论文 2 真空检漏诊断系统技术方法 线。这说明容器即有放气也有漏气。曲线d 可以认为是b 和c 的叠加。如果出现曲 线c 和d 的情况，则判定系统有漏气。 2 2 真空系统检漏方法【2 5 圆】 由于真空系统存在多样性，因此检漏方法也各式各样，专业公司设计制造了许 多专门用于检漏的仪器( 检漏仪) 。比较理想的检漏方法应满足下列要求： 合适的检漏灵敏度。在具体的检漏条件下，所选择方法的检漏灵敏度，通 常高于最大容许漏率l - - 、- 2 个数量级。 反应时间和清除时间短，可以提高工作效率； 能定位、定量，即不仅能够找出漏孔的位置，还能测定漏率的大小，以便 确定是否合乎质量要求；找出漏孔位置的方法有喷吹法和吸枪法。喷吹法适用于 可抽空的被检件。高频火花检漏器法、真空计法、固定式卤素仪法和氦质谱仪法 归于喷吹法。吸枪法适用于不允许抽空、放气量大、复杂管道等被检件。气泡法、 荧光法，氨检漏法及吸枪式检漏仪法可归于吸枪法。测定漏率的方法是测量示漏 物质的漏率变化或浓度变化量。根据条件可采用适当的方法。 品质好的示漏物质，能无损检漏，不使被检设备受到损坏和污染；所用“示 漏物质”具有在空气中含量少，灵敏度高，不腐蚀、不污染被检件、抽气系统及 检漏仪表，无毒、阻燃和防爆。 稳定性能好、检漏范围宽，从大漏孑l n d , 漏孔都能检测，以减少检漏设备的 数量和费用；即保证足够长时间内灵敏度稳定可靠；同时检漏时应洁净无油，满 足一些特殊要求。 针对上述部分要求相互矛盾，若想采用一种方法实现检漏很难满足检漏要求。 因此必须根据具体情况选择满足其主要要求的检漏方法，可以综合运用几种方法。 2 2 1 加压检漏法 在被检测器件内部充入一定压力的示漏物质，如果被检件上有漏孔，示漏物质 便会从漏孔漏出，用一定的方法或仪器在被检件外部检测出从漏孔漏出的示漏物 质，从而判定漏孔的存在、位置及漏率的大小。标准漏孔的漏率为： q 。：va p 22 9 6 ( 2 1 ) ，i 、。 式中：v 为标准漏孔流进容积；t 为环境温度；_ z - w z 为升压岛对应t 时间的比。 醚 利用压强差，将一定压力的气体( 称试验气体或者探漏气体) 或液体充入被检容 器内，当容器上存在漏孔时，气体( 或液体) 便从漏孔中逸出，从哪里逸出，逸出量 的多少等，就可判断有无漏孔存在、漏孔位置和大小。常用的加压检漏法的工作 条件、现象、所用设备及其灵敏度分别示于表2 2 所示： 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 真空检漏诊断系统技术方法 表2 2 加压检漏法 最小可检漏率 检漏方法工作条件现象所用设备 ( p a - m 3 s ) 水压法漏水人眼 1 0 - 3 1 0 _ 4 压降法 充3 x 1 0 5 p a 空气 压力下降 压力计1 x 1 0 。3 听音法同上咝咝声人耳5 1 0 3 超声法同上超声波超声波检测器1 x l o - 3 同上水中气泡人眼 1 0 一1 0 - 6 同上水中气泡人眼 1 0 - 9 气泡法 涂抹肥皂泡发生 同上人眼 1 1 0 - 3 皂泡 充3 x 1 0 5 p a 氨气 试带变色人眼 1 0 7 同上 淖粉兰试纸蛮任 人眼 l o l l 氨气检漏法 充2 5 1 0 5 p a 氨 复合涂料显色人眼 1 0 。8 气 卤数检漏仪吸嘴检漏仪读数变化 充卤数气体卤数检漏仪 1 0 - 6 1 0 1 0 法 伴有声响 放射性同位素气 充放射性气体计数器信号变化闪烁计数器 1 1 0 。7 体法 氮质谱检漏仪吸检漏仪读数变化 充氦气氮质谱检漏仪 1 0 。8 - - - 1 0 1 0 嘴法 伴有声响 气敏半导体检漏气敏半导体检漏 充气敏气体检漏仪读数变化 依法 仪 2 2 2 真空检漏法 将被检件和检漏器的敏感元件置于真空状态中，将示漏物质从被检件的外部加 入，如果有漏孔存在，示漏物质就会从漏孔进入被检件和敏感元件的所在空间， 利用敏感元件检测出示漏物质，从而判定出漏孔的存在、位置以及漏率的大小。 待校标准漏孑l 的漏率为： q l ，0 2 = 等争旦q l ，o 。 ( 2 2 ) 1 1 一0 0p 2 式中：q l 。为已知标准漏孔l l 的漏率；p l ，p 2 分别为l 1 、l 2 漏孔进气端氦 重庆大学硕士学位论文 2 真空检漏诊断系统技术方法 压；，厶分别为l 1 、l 2 漏孔的输出讯号；厶为检漏仪本底。 将被检容器内部抽空后，再把试验物质施于容器外表可疑位置。如有漏孔，试 验物质便通过漏孔进入容器，通过一些方法或仪器指示出来，从而可判断出漏孔 的位置和大小。属于此类的方法有：静态升压法；放电管法；真空计法；氢一钯 法；离子泵法；高频火花检漏法；卤素检漏法；质谱检漏法。表2 3 为常见真空检 漏法，其中氦质谱仪是用氦气为示漏气体的专门用于检漏的仪器，它具有性能稳 定、灵敏度高的特点，是真空检漏技术中灵敏度最高，用得最普遍的检漏仪器。氦 质谱检漏仪是磁偏转型的质谱分析计。 表2 3 真空检漏法 t a b l e2 3t h em e t h o do fv a c u u ml e a kd e t e c t i o n 最小可检 检漏方法工作压力现象设备漏率 p a m 3 s 抽真空后封闭，压力 静态升压法真空计 1 0 3 1 0 。6 上升 放电管法放电颜色改变放电管1 0 一1 0 - 4 高频火花检 高频火花检漏器法 1 0 3 1 0 。1 亮点，放点颜色改变 1 0 一1 0 - 4 漏器 热偶或电阻 热传导真空计法 1 0 3 ，- 1 0 。1 1 0 6 真空计 电离真空计法 1 0 - 2 1 0 - 6 电离真空计 1 0 9 差动热传导真空计 1 0 3 - 1 0 。l 热传导真空 1 0 7 真法计差动组合 空 施用示漏物质真空计 电离真空计 计 差动电离真空计法 1 0 - 2 1 0 - 6 读数变化1 0 。1 0 差动组合 法 有吸附阱的热传导 1 0 3 - 1 0 l 热传导计 1 0 。7 真空计法 有吸附阱的电离真 1 0 - 2 1 0 - 6 液氦冷却硅 1 0 l l 空计法胶阱，电离器 1 0 1 3 7 1 0 氦气通过钯管进入真 氢钯法钯管，电离计 1 0 4 1 0 1 l 1 0 _ 6 空规，读数变化 示漏物质使粒子流变 离子泵检漏法 1 0 - 5 1 0 7 离子泵1 0 - 9 1 0 。1 2 化 1 2 重庆大学硕士学位论文2 真空检漏诊断系统技术方法 最小可检 检漏方法工作压力现象设备漏率 p a 。m 3 s 卤数检漏仪内探头法 1 0 1 0 。l 输出仪表读数变化卤数检漏仪 1 0 71 0 - 9 输出仪表读数及声响氦质朴检漏 1 0 1 2 氦质朴检漏仪法 1 0 2 频率变化 仪1 0 1 4 射频质谱仪法 1 0 - 2 1 0 - 4 射频质谱仪 1 0 一1 0 l l 质谱回旋质谱仪法 1 0 - 3 1 0 。7 施用示漏物质输出仪回旋质谱仪 1 0 1 0 。1 2 计法表读数变化1 0 l o 四极滤质器法1 0 1 0 4四极滤质器 1 0 1 1 2 3 离线真空检漏系统概述 2 3 1 离线真空检漏系统组成 本装置用于主机诊断设备的离线真空检漏，通过对主机诊断设备的真空检漏， 确保诊断设备在主机靶室上安装后不影响主机靶室整体真空度。 本文基于神光原型装置，设计了以模拟靶三维支撑调节机构为核心元件的离 线真空检漏系统，给出了其机械设计以及控制系统设计，为建立离线真空检漏系 统提供了参考。 图2 2 离线真空检漏系统图 f i g 2 2t h em a po fo f f i i n ev a c u u ml e a kd e t e c t i o ns y s t e m 离线真空检漏系统的总体结构如图2 2 所示，主要由真空检漏腔体、转接法兰、 真空接口、可移动式安装调整支架、模拟靶三维支撑调节机构、真空闸板阀、真 空检测装置等组成。 重庆大学硕士学位论文 2 真空检漏诊断系统技术方法 模拟靶三维支撑调节机构是该检漏系统的核心元件，主要用于模拟靶的支撑调 节。可以对模拟靶进行沿x ，y ，z 三个方向的平动以及绕z 轴一个方向