RU155240U1

RU155240U1 - MIRROR MOUNTING DEVICE FOR PLASMA DIAGNOSTICS

Info

Publication number: RU155240U1
Application number: RU2015113027/28U
Authority: RU
Inventors: Галина Николаевна Сохарева; Александр Владимирович Черных; Илья Сергеевич Шарапов
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2015-09-27

Abstract

Устройство крепления зеркала для диагностики плазмы, включающее основание, снабженное равномерно расположенными по окружности опорами, соединяющими основание и зеркало, отличающееся тем, что основание дополнительно снабжено центральной опорой, жестко соединенной с корпусом зеркала, равномерно расположенные по окружности опоры выполнены в виде штифтов из материала с коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения материала корпуса зеркала, при этом один конец каждого штифта жестко соединён с основанием, а другой со свободной посадкой установлен в сопряженном с ним радиальном пазу, выполненном в тыльной поверхности корпуса зеркала, с возможностью обеспечения радиального перемещения зеркала вдоль поверхности основания.A device for fastening a mirror for plasma diagnostics, comprising a base provided with supports evenly spaced around the circumference connecting the base and the mirror, characterized in that the base is additionally provided with a central support rigidly connected to the mirror body, the supports evenly spaced around the circumference are made in the form of pins made of a material with coefficient of linear expansion, close to the coefficient of linear expansion of the material of the mirror housing, while one end of each pin is rigidly connected to the base, and the other end is installed with a free fit in the associated radial groove, made in the rear surface of the mirror housing, with the possibility of ensuring the radial movement of the mirror along the base surface.

Description

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к оптическому зеркалу для спектроскопии термоядерной плазмы.The utility model relates to optical instrumentation, in particular, to an optical mirror for spectroscopy of thermonuclear plasma.

Известно, что в настоящее время реализуется международный проект ИТЭР для получения управляемого термоядерного синтеза. В установке планируется разогреть плазму до 150 млн. град. Для зондирования свойств плазмы используются оптические методы. Для сбора видимого излучения термоядерной плазмы внутри вакуумной камеры установки ИТЭР устанавливается собирающее зеркало для дальнейшей передачи этого излучения к регистрирующей аппаратуре, расположенной на значительном удалении от установки вне вакуумного объема. Собирающее зеркало будет подвержено радиационному и индукционному нагреву. Температура будет изменяться от комнатной (при которой производится сборка и юстировка) до рабочей температуры 70°C. В дальнейшем, по мере увеличения мощности реактора, температура будет повышаться вплоть до значений 300°C и более. При высоких требованиях к качеству оптического тракта, требуется применение элементов развязки зеркала от механических и термодеформационных напряжений, которые неизбежно возникают при указанных условиях эксплуатации и обусловлены различными коэффициентами термического расширения зеркала и основания. В настоящее время создание простого и надежного устройства крепления оптического зеркала, предназначенного для работы в составе установки токамак, обладающего достаточной точностью, жесткостью и долговременной стабильностью, является актуальной и сложной инженерной задачей.It is known that the ITER international project is being implemented to produce controlled thermonuclear fusion. In the installation, it is planned to heat the plasma to 150 million degrees. Optical methods are used to probe plasma properties. To collect the visible radiation of the thermonuclear plasma inside the vacuum chamber of the ITER installation, a collecting mirror is installed for further transmission of this radiation to the recording equipment located at a considerable distance from the installation outside the vacuum volume. The collecting mirror will be exposed to radiation and induction heating. The temperature will vary from room temperature (at which assembly and adjustment is performed) to an operating temperature of 70 ° C. In the future, as the capacity of the reactor increases, the temperature will increase up to 300 ° C and more. With high demands on the quality of the optical path, the use of mirror isolation elements from mechanical and thermal deformation stresses, which inevitably arise under the specified operating conditions and are caused by different coefficients of thermal expansion of the mirror and the base, is required. At present, the creation of a simple and reliable optical mirror mount device designed to operate as part of a tokamak installation with sufficient accuracy, rigidity, and long-term stability is an urgent and complex engineering task.

Известны конструкции различных крепежных механических элементов, при помощи которых зеркало крепится к основанию, например, винтов, резьбовых колец, планок, накладок, уголков или пружин, а также крепление путем завальцовки оптического элемента в гнезде оправы («Справочник конструктора оптико-механических приборов». Под редакцией В.А. Панова. Ленинград. «Машиностроение» Ленинградское отделение. 1980 г., стр. 277…283).There are known designs of various fastening mechanical elements, with which the mirror is attached to the base, for example, screws, threaded rings, trims, plates, angles or springs, as well as fastening by rolling an optical element in the socket of the frame ("Handbook of the designer of optical-mechanical devices". Edited by V.A. Panov, Leningrad. "Mechanical Engineering" Leningrad Branch. 1980, p. 277 ... 283).

Недостатком таких конструкторских решений является то, что любое механическое крепление создает дополнительное механическое воздействие при изменении температуры на отражающую поверхность зеркала, что приводит к ее деформации.The disadvantage of such design solutions is that any mechanical fastening creates an additional mechanical effect when the temperature changes on the reflective surface of the mirror, which leads to its deformation.

Известны различные конструкции зеркал с оправами, узлами крепления и элементами разгрузки [«Оптические телескопы. Теория и конструкция». Н.Н Михельсон. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука». Москва. 1976 г., стр. 389, 393-395],There are various designs of mirrors with frames, mounts and unloading elements ["Optical telescopes. Theory and construction. " N.N Michelson. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house. Moscow. 1976, p. 389, 393-395],

Так, например, в данной работе представлена конструкция крепления зеркала к основанию, в котором зеркало базируется на трех жестких выступах (опорах), которыми снабжено основание, т.н. система разгрузки Гребба [стр. 385-387]. Выступы расположены в вершинах равностороннего треугольника, центр которого совпадает с центром оправы. Если применяется разгрузка на шесть точек, то каждый выступ является осью равноплечного рычага, называемого коромыслом. Концы коромысел несут шарнирно соединенные с ними опорные тарелки, поддерживающие зеркало и компенсирующие напряжения, обусловленные весовой нагрузкой.So, for example, in this paper, the design of mounting the mirror to the base is presented, in which the mirror is based on three rigid protrusions (supports) that the base is equipped with, the so-called Grebba unloading system [p. 385-387]. The protrusions are located at the vertices of an equilateral triangle, the center of which coincides with the center of the frame. If six-point unloading is used, then each protrusion is the axis of an equal-arm leverage called a rocker. The ends of the rocker arms have articulated support plates supporting the mirror and compensating for stresses due to the weight load.

Недостатком данной конструкции является то, что подобное крепление не предназначено для развязки от термодеформационных напряжений.The disadvantage of this design is that such a mount is not intended for isolation from thermal deformation stresses.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство крепления зеркала телескопа, содержащее основание с тремя равномерно расположенными по окружности шаровыми опорами со сферическими головками, а также ползуны, установленные с возможностью перемещения в соответствующих направляющих, жестко соединенных с основанием (патент РФ №2035759, МПК G03B 7/18, опубл. 20.05.1995). Шаровые опоры жестко установлены на ползунах, при этом оси направляющих пересекаются в одной точке, лежащей в одной плоскости, перпендикулярной оси зеркала, а центры сферических головок шаровых опор расположены в плоскости, проходящей через центр масс зеркала и перпендикулярной оси зеркала.The closest technical solution, selected as a prototype, is a telescope mirror mount device containing a base with three ball bearings with spherical heads evenly spaced around the circumference, as well as sliders mounted to move in respective guides rigidly connected to the base (RF patent No. 2035759, IPC G03B 7/18, publ. 05.20.1995). Ball bearings are rigidly mounted on sliders, while the axes of the guides intersect at one point lying on the same plane perpendicular to the axis of the mirror, and the centers of the spherical heads of the ball bearings are located in a plane passing through the center of mass of the mirror and perpendicular to the mirror axis.

Для работы в условиях высокого радиационного и индукционного нагрева такая конструкция сложна и ненадежна, поскольку содержит множество точных движущихся деталей (шаровые опоры с антифрикционными кольцами, направляющие с шариками и ползунами). В вакуумной камере смазка деталей недопустима, поэтому каждая из деталей, имеющая свой коэффициент температурного расширения, может вызвать заклинивание в условиях высоких температур и неработоспособность конструкции в целом.To work in conditions of high radiation and induction heating, such a design is complex and unreliable, because it contains many accurate moving parts (ball bearings with antifriction rings, guides with balls and sliders). In a vacuum chamber, lubrication of parts is unacceptable, therefore, each of the parts, which has its own coefficient of thermal expansion, can cause jamming at high temperatures and the inoperability of the structure as a whole.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности устройства крепления зеркала для диагностики плазмы при одновременном сохранении формы рабочей поверхности зеркала в условиях высокого радиационного и индукционного нагрева.The problem to which the claimed utility model is directed is to increase the reliability of the mirror mount device for plasma diagnostics while maintaining the shape of the mirror working surface under conditions of high radiation and induction heating.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве крепления зеркала для диагностики плазмы, включающем основание, снабженное равномерно расположенными по окружности опорами, соединяющими основание и зеркало, согласно полезной модели основание дополнительно снабжено центральной опорой, жестко соединенной с корпусом зеркала, равномерно расположенные по окружности опоры выполнены в виде штифтов из материала с коэффициентом линейного расширения близким к коэффициенту линейного расширения материала корпуса зеркала, при этом один конец каждого штифта жестко соединен с основанием, а другой - со свободной посадкой установлен в сопряженном с ним радиальном пазу, выполненном в тыльной поверхности корпуса зеркала, с возможностью обеспечения радиального перемещения зеркала вдоль поверхности основания.The problem is solved in that in the mirror mounting device for plasma diagnostics, including a base equipped with supports evenly spaced around the circumference connecting the base and the mirror, according to the utility model, the base is additionally equipped with a central support rigidly connected to the mirror body, uniformly arranged around the support circumference in the form of pins made of material with a coefficient of linear expansion close to the coefficient of linear expansion of the material of the mirror housing, with one horse each pin is rigidly connected with the base, and the other - with a loose fit mounted in its associated radial slot formed in the rear surface of the mirror housing, to provide a radial displacement of the mirror along the base surface.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен центральный разрез устройства крепления зеркала. Зеркало для диагностики плазмы состоит из подложки 1 и корпуса 2. Корпус 2 скреплен с основанием 3 при помощи центральной опоры 4 и равномерно расположенных по окружности опор, которые выполнены в виде штифтов 5. Тыльная поверхность корпуса 2 зеркала снабжена радиальными относительно оптической оси зеркала и сопряженными со штифтами 5 пазами 6. Один конец каждого штифта 5 жестко соединен с основанием 3, а другой - со свободной посадкой установлен в соответствующем пазу 6 с возможностью обеспечения радиального перемещения зеркала вдоль поверхности основания 3.In FIG. 1 shows a central section through a mirror attachment device. The plasma diagnostic mirror consists of a substrate 1 and a housing 2. The housing 2 is fastened to the base 3 using a central support 4 and supports equally spaced around the circumference, which are made in the form of pins 5. The rear surface of the mirror housing 2 is provided radially relative to the optical axis of the mirror and mated with pins 5 grooves 6. One end of each pin 5 is rigidly connected to the base 3, and the other with a loose fit is installed in the corresponding groove 6 with the possibility of radial movement of the mirror along the surface base 3.

На фиг. 2 представлен разрез зеркала плоскостью А-А. Опоры в виде четырех штифтов 5 расположены центрально симметрично и входят со свободной посадкой в соответствующие пазы 6 корпуса зеркала.In FIG. 2 shows a section of a mirror by plane AA. Supports in the form of four pins 5 are located centrally symmetrical and enter freely fit into the corresponding grooves 6 of the mirror housing.

Сведения, подтверждающие возможность реализации полезной модели.Information confirming the possibility of implementing a utility model.

Зеркало для диагностики плазмы состоит из корпуса 2, который представляет собой облегченную конструкцию, выполненную из молибдена марки МЧВП, к которому при помощи диффузионной сварки приварена подложка 1, выполненная из монокристаллического молибдена. Сферическая поверхность зеркала формируется в сборе. Размер оптической поверхности зеркала составляет 200×65 мм.The plasma diagnostic mirror consists of a casing 2, which is a lightweight structure made of molybdenum of the MCHVP brand, to which a substrate 1 made of single-crystal molybdenum is welded by diffusion welding. The spherical surface of the mirror is assembled. The size of the optical surface of the mirror is 200 × 65 mm.

Основание 3, к которому крепится зеркало, изготовлено из прецизионного сплава 29НК. Коэффициент линейного расширения данного сплава отличен от коэффициента линейного расширения материала корпуса - молибдена марки МЧВП. Корпус зеркала крепится к основанию при помощи центральной опоры 4 из прецизионного сплава 29НК на резьбе М8 вдоль оптической оси. В тыльной поверхности корпуса выполнены четыре радиальных паза шириной 3 мм. Кроме того, в конструкции крепления зеркала равномерно расположенные по окружности опоры выполнены в виде четырех штифтов 5 размером 9×3 мм, которые входят со свободной посадкой в пазы корпуса зеркала. Количество штифтов и их расположение соответствует количеству и расположению пазов в тыльной поверхности корпуса зеркала.The base 3, to which the mirror is mounted, is made of 29NK precision alloy. The coefficient of linear expansion of this alloy is different from the coefficient of linear expansion of the body material - molybdenum of the MChVP brand. The mirror housing is attached to the base with a central support 4 of precision 29NK alloy on an M8 thread along the optical axis. Four radial grooves 3 mm wide are made in the back surface of the body. In addition, in the design of the mirror mount, the supports evenly spaced around the circumference are made in the form of four pins 5 with a size of 9 × 3 mm, which enter freely into the grooves of the mirror body. The number of pins and their location corresponds to the number and location of the grooves in the rear surface of the mirror housing.

В процессе эксплуатации оптической системы происходит изменение температурного поля. При этом размеры зеркала и основания из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения изменяются неодинаково. Например, при повышении температуры основание 3 нагревается, а его линейные размеры увеличиваются, при этом штифты 5, жестко связанные с основанием 3, начинают перемещаться в пазах 6, которыми снабжена тыльная поверхность корпуса зеркала. Температурные коэффициенты линейного расширения материала штифта идентичны температурному коэффициенту линейного расширения материала корпуса зеркала, поэтому дополнительный зазор при изменении температуры не образуется. Таким образом, происходит перемещение всего зеркала вдоль поверхности основания 3, вызванное изменением температурного поля. Аналогичный процесс происходит при уменьшении температуры.During operation of the optical system, a change in the temperature field occurs. At the same time, the dimensions of the mirror and the base vary unequally due to different temperature coefficients of linear expansion. For example, with increasing temperature, the base 3 heats up, and its linear dimensions increase, while the pins 5, rigidly connected to the base 3, begin to move in the grooves 6, which are provided with the rear surface of the mirror housing. The temperature coefficients of linear expansion of the material of the pin are identical to the temperature coefficient of linear expansion of the material of the mirror body, so an additional gap is not formed when the temperature changes. Thus, the entire mirror moves along the surface of the base 3, caused by a change in the temperature field. A similar process occurs when the temperature decreases.

Поскольку в устройстве крепления отсутствуют движущиеся детали, такая конструкция будет обладать надежностью в условиях высокого радиационного и индукционного нагрева. Вместе с тем данное техническое решение обеспечивает заданную компенсацию температурных деформаций в широком диапазоне температур (от 20° до 300°) путем создания возможности свободного перемещения зеркала и основания друг относительно друга. А установка зеркала на трех и более штифтах и конструкция резьбовой опоры обеспечивают необходимую жесткость для юстировки всей оптической системы.Since there are no moving parts in the mount, this design will be reliable in conditions of high radiation and induction heating. At the same time, this technical solution provides predetermined compensation for temperature deformations in a wide temperature range (from 20 ° to 300 °) by creating the possibility of free movement of the mirror and the base relative to each other. And the installation of the mirror on three or more pins and the design of the threaded support provide the necessary rigidity to align the entire optical system.

Claims

A mirror mounting device for plasma diagnostics, including a base equipped with supports evenly spaced around the circumference connecting the base and the mirror, characterized in that the base is additionally provided with a central support rigidly connected to the mirror housing, uniformly spaced around the circumference of the support made in the form of pins made of material with a linear expansion coefficient close to the linear expansion coefficient of the material of the mirror body, with one end of each pin rigidly connected to the base eat, and the other with a loose fit is installed in the associated radial groove made in the rear surface of the mirror body, with the possibility of ensuring radial movement of the mirror along the surface of the base.