神光-ш倍频组件动态性能研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景和意义本课题来源于甲方单位的神光-Ⅲ原型装置靶场系统。靶场系统由终端光学组件等六个模块组成，本课题的研究对象三倍频组件是组成终端光学组件的一个重要模块，终端光学组件各组成模块如图1-1所示。图1-1Ⅱ型终端光学组件各组成模块Fig.1-1Modulesoftheterminalopticsassemble神光-Ⅲ原型装置靶场系统是为了产生核聚变而设计的实验装置系统，核聚变产生的聚变能是一种清洁、安全和资源蕴藏极其巨大的能源。核聚变的一个重要途径就是惯性约束聚变

2、(InertialConfinementFusion,ICF)，它的基本原理是利用高能粒子束在几纳秒的时间内将氘氚靶丸压缩到每立方厘米几百克的高密度，压强为几亿个大气压，从而使靶丸在局部形成热斑点火并燃烧[1]。上世纪60年代，随着激光技术的出现，人们开始研究利用强激光的极高功率密度和极好的方向性来轰击氘-氚靶，让它们产生受控的惯性约束核聚变从而释放 出聚变能，这就是“激光核聚变”[2,3]。核聚变产生的能量除了可以代替传统能 量外，还可以应用在核武器实验上，很多国家都致力于对聚变能的研究[4]。1996年，美国劳伦斯

3、·里弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNational Laboratory,LLNL)实施“国家点火装置”(NationalIgnitionFacility,NIF)计划[5]。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文NIF是一个总投资超过30亿美元的大型激光装置，其光路图如图1-2所示[6,7]，它的占地面积与一个标准足球场相当，预计将于2008年建成，2010年实现点 火[8~10]。为了达到点火的要求，NIF系统的光路总数为192路，共需要7500件大型精密光学元件，将总共1.8MJ的能量聚焦到靶

4、上，峰值功率高达600TW，能量的80%必须被控制在靶面直径约为250µm的范围内，单束光的瞄准精度优 于50µm[11]。NIF是一个国际性的工程，很多大型实验室与其合作，包括法国和德国，随着其发展的日益完善，将会有更多的国内和国际大型实验室加入进来[12]。图1-2NIF光路图Fig.1-2OpticssystemofNIF1964年，我国核物理学家王淦昌院士和前苏联科学家巴索夫分别独立地提出了用激光打靶实现核聚变的设想。在王淦昌院士的大力推动下，我国于1973年建成了1010W激光装置，1986年建成了1×101

5、2W的神光-І装置，达到国 际同类装置的先进水平，2001年建成了8×1012W的神光-II装置,获得了类镍银 和高强度类镍钽X光激光增益饱和[13,14]。为了开展更深层次的ICF物理研究，我国已制定了神光-III装置的研制规划，神光-Ⅲ原型装置的系统结构与美国LLNL的Beamlet装置相类似，由前端、预放级、主放大级、诊断靶场、光束控制与-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文诊断、计算机集中控制等六大部分组成，该装置的目标是：光束总路数为64 路，输出能量60kJ/60TW，脉冲宽度1ns，瞄准精度≤30µm[15

6、~18]。而在神光-Ⅲ装置项目启动之前，首先建设了一个验证性的装置即“神光-Ⅲ原型装置”，该装置的核心功能是将原型装置主放大级输出的激光引导、聚焦到物理实验靶的指定位置，保证八束激光等间隔地以45°角入射到各自的瞄准点，总的打靶精度控制在30µm以内，其中由靶瞄准定位控制系统所引入的误差不超过10µm。而Ⅱ型终端光学组件就是与物理实验靶的定位以及激光束的引导控制密切相关的九个模块之一，它将用在装置物理靶场的立体光路上，是激光系统进入靶室，将激光打到靶上的最后光学组件[19]。由此可见，Ⅱ型终端光学组件对包括三倍频组件在

7、内的模块有很高的位置精度和稳定性的要求。所以本课题对三倍频组件的动静态性能进行研究和分析，为日后神光-Ⅲ主机装置的研究奠定一定的理论基础。1.1机械结构动态性能研究的国内外现状从严格意义上讲，任何物体都始终处在一个错综复杂的动力环境之中，许多结构在外部激励或自身动力作用下都是处于运动状态的，由此引起的结构动力响应往往十分严重(包括结构变形、内部应力和加速度过载等)，有时会导致结构的严重损坏，甚至会发生重大事故[20]。因此，在对很多结构的设计和评估过程中，必须考虑其动态特性。从20世纪60年代起，一种新的结构分析方法问

8、世，那就是结构动态分析与设计，这归于Fox、KapoorZarghamee等专家们的努力。他们提出了在结构设计时除了要求其满足静力学强度条件外，还必须从给定结构的某些固有频率禁区或某些点上的响应极限等条件考虑，使结构满足动态环境下的工作性能和稳定性[21~25]。近年来，有限元法和实验模态分析法己经成为结构动态分析和设计的两种最主