УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ ЗЕРКАЛА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к оптическому зеркалу для спектроскопии термоядерной плазмы.
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.
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).
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.
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],
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.
Недостатком данной конструкции является то, что подобное крепление не предназначено для развязки от термодеформационных напряжений.
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.
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.
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.
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.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
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.
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.
Сведения, подтверждающие возможность реализации полезной модели.
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.
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.
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.
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.